Hvad er den skiftende risiko og byrde ved løbeild i USA?

Hvad er den skiftende risiko og byrde ved løbeild i USA?

En ny undersøgelse offentliggjort af Proceedings of the National Academy of Sciences i USA (PNAS) forudsiger en dyster fremtid for skovbrande og den deraf følgende giftige røg. Her er abstrakten af ​​deres nyligt afsluttede undersøgelse:

Fuld forskningspublikation: https://www.pnas.org/content/118/2/e2011048118#F1

Stigning i dødbringende globale skovbrande

Nylige dramatiske og dødbringende stigninger i global skovbrandaktivitet har øget opmærksomheden omkring årsagerne til skovbrande, deres konsekvenser, og hvordan risikoen fra skovbrand kan mindskes. Her samler vi data om den skiftende risiko og samfundsmæssige byrde ved skovbrand i USA. Vi estimerer, at næsten 50 millioner hjem i øjeblikket befinder sig i det vilde grænseflade i USA i USA, hvor antallet stiger med 1 million huse hvert tredje år. For at illustrere, hvordan ændringer i skovbrandaktivitet kan påvirke luftforurening og relaterede sundhedsresultater, og hvordan disse forbindelser kan styre fremtidig videnskab og politik, udvikler vi en statistisk model, der relaterer satellitbaserede brand- og røgdata til information fra forureningsovervågningsstationer.

Skovbrande har tegnet sig for op til 25% af PM2.5 partikler i USA

Ved hjælp af modellen estimerer vi, at skovbrande har tegnet sig for op til 25% af PM2.5 (partikler med diameter <2.5 um) i de seneste år over hele USA og op til halvdelen i nogle vestlige regioner med rumlige mønstre i omgivende røgeksponering, der ikke følger traditionelle socioøkonomiske forureningseksponeringsgradienter. Vi kombinerer modellen med stiliserede scenarier for at vise, at brændstofstyringsinterventioner kan have store sundhedsmæssige fordele, og at fremtidige sundhedsmæssige påvirkninger fra klimaforandringsinduceret brandrøg kan nærme sig forventede samlede stigninger i temperaturrelateret dødelighed som følge af klimaændringer - men at begge skøn forbliver usikker. Vi bruger modelresultater til at fremhæve vigtige områder for fremtidig forskning og til at drage lære af politikken.

Brændeområder fra skovbrande i USA er op til 400% de sidste fire årtier

I løbet af de sidste fire årtier er det brændte område fra skovbrande omtrent fordoblet i USA (Fig 1A) (1). Denne hurtige vækst er drevet af en række faktorer, herunder ophobning af brændstoffer på grund af en arv fra brandbekæmpelse i det sidste århundrede (2) og en nyere stigning i tørhed i brændstof (Fig 1B, vist for det vestlige USA), en tendens, som forventes at fortsætte, når klimaet bliver varmere (34). Disse stigninger er sket parallelt med en betydelig stigning i antallet af huse i grænsefladen vildland-by (WUI). Ved hjælp af data om universet fra hjemsteder i hele USA og opdaterede nationale landdækningskort opdaterer vi tidligere undersøgelser (56) og anslår, at der nu er 49 millioner boliger i WUI, et antal, der er steget med cirka 350,000 huse om året i de sidste to årtier (Fig 1C , SI-tillæg). Da brandbekæmpelsesindsatsen i høj grad fokuserer på beskyttelsen af ​​private hjem (7), har disse faktorer bidraget til en stadig stigning i udgifterne til undertrykkelse af ild fra den amerikanske regering (Fig 1D), som i de seneste år har udgjort federal 3 mia. $ / år i føderale udgifter (1). Det samlede foreskrevne forbrændingsareal er steget i det sydøstlige USA, men er stort set forblevet fladt andetsteds (Fig 1E), hvilket antyder for mange, at der er underinvestering i denne risikoreducerende strategi i betragtning af den enorme samlede vækst i brandrisiko (8).

 

Tendenser i drivere og konsekvenser af løbeild. (A og B) Stigninger i brændt område i offentlige og private amerikanske lande (A) (1) er drevet dels af stigende brændstof tørhed, vist her over det vestlige USA (4) (B). (C og D) Antallet af boliger i WUI er også steget hurtigt (C, vores beregninger; SI-tillæg), som har bidraget til stigende undertrykkelsesomkostninger (D) afholdt af den føderale regering. (E) Foreskrevet forbrændingsareal er steget betydeligt i syd, men er fladt i alle andre regioner (1). (F og G) Røgdage er steget i hele USA (F), hvilket måske underminerer dekadale forbedringer i luftkvaliteten i hele USA (G). (H) Vi beregner en stigende andel af det samlede PM2.5 tilskrives røg i vildmark, især i Vesten. Røde og blå linjer i hvert plot indikerer lineære tilpasninger til de historiske data, med skråninger rapporteret øverst til venstre på hvert panel; alle er signifikant forskellige fra nul (P <0.01 for hver) bortset fra foreskrevet forbrænding i regioner uden for Syd. Røde linjer angiver, at underliggende data er fra offentliggjorte undersøgelser eller regeringsdata, og blå linjer angiver nye estimater fra dette papir.

Voksende bekymringer

Hvad er konsekvenserne af denne ændring i brandaktivitet for den samlede luftkvalitet og for sundhedsresultaterne, og hvordan skal politikken reagere? Store stigninger i brandildaktivitet har været ledsaget af betydelige stigninger i antallet af dage med enhver røg i luften over hele USA (Fig 1F), som estimeret ud fra satellitdata (9). Sådanne stigninger er blevet observeret i hele det kontinentale USA, ikke kun i Vesten, og truer med at fortryde de væsentlige forbedringer i luftkvaliteten, der er observeret i hele USA i de sidste to årtier (Fig 1G). Fingeraftrykkene fra løbeild er allerede synlige i opadgående tendens forår og sommer organisk kulstofkoncentration observeret i landlige områder i USA syd og vest (SI-tillægFig. S1) henholdsvis undersøgelser viser, at det at have nogen røg i luften kan øge sygelighed og dødelighed blandt udsatte befolkninger (10, 11).

En udfordring for befolkningscentre

En udfordring med at forstå det bredere bidrag, som ændring af ildbrandaktivitet til luftkvaliteten er, er vanskeligheden ved nøjagtigt at forbinde brandaktivitet med relaterede forurenende eksponeringer i ofte fjerntliggende befolkningscentre (12). Satellitbaserede mål for røgeksponering er i stigende grad tilgængelige og er tiltalende, fordi røgovervågning intuitivt forbinder kilde- og receptorregioner. Sådanne data kan dog endnu ikke bruges til nøjagtigt at måle røgdensitet eller til at adskille røg på overfladeniveau fra røg højere i den atmosfæriske søjle, og de er derfor vanskelige at linke til eksisterende forhold mellem eksponering og sundhed (13, 14). Kemiske transportmodeller (CTM'er), som direkte kan modellere bevægelse og udvikling af udslip af løbeild, tilbyder en alternativ tilgang til at forbinde lokale forureningskoncentrationer med specifik brandaktivitet. At generere nøjagtige eksponeringsestimater fra CTM'er kræver imidlertid at overvinde flere større usikkerheder i vejen mellem kilde og receptor. For det første har det vist sig, at store usikkerheder i varelagerbeholdninger fører til mange gange forskelle i vildtildrevet PM2.5 (partikler med diameter <2.5 um) koncentrationer over hele USA (og> 20 × regionale forskelle i højbrandsår), når forskellige beholdninger bruges som input til samme CTM (15, 16) og integration af satellitobservationer forbedrer kun ydeevnen (17). For det andet er de detaljerede forhold omkring emissioner, såsom højden af ​​emissionsindsprøjtninger og meget lokal meteorologi og deres transport, muligvis ikke fanget af modeller og kan dramatisk påvirke nedstrøms eksponeringsestimater (18, 19). Endelig kan CTM-repræsentationer af atmosfærisk kemi muligvis ikke nøjagtigt fange udviklingen af ​​en brandrøg (20-24). Ud over modelrelateret usikkerhed betyder beregningsomkostningerne ved at køre CTM'er over store rumlige og tidsmæssige skalaer, at modeller sjældent valideres mod de lange tidsserier af koncentrationsmålinger, der er tilgængelige fra hundreder af jordstationer i hele USA.

Satellit-røgfjerningsbilleder

For yderligere at forstå løbende skiftende bidrag til udsættelse for partikler over hele USA og illustrere vigtige resterende videnskabelige og politiske spørgsmål i krydset mellem løbeild, forurening og klima træner og validerer vi en statistisk model, der relaterer ændringer i satellit-estimeret eksponering for røgfjer og brandaktivitet til jordmålt PM2.5 koncentrationer på tværs af regioner i USA (SI-tillægFig. S2). Vores model er specielt uddannet til at forudsige variation i PM2.5 over tid på mange individuelle steder - variation, der i stigende grad udnyttes til at forstå, hvordan ændringer i luftforurenende stoffer påvirker de vigtigste sundhedsresultater. Vores tilgang er ikke afhængig af usikre emissionsopgørelser og afhjælper vanskeligheder med at modellere spredning af fjer, og resultater kan let valideres i forhold til over ti år med grunddata, som modellen ikke blev trænet på. Modelestimater er robuste til alternative måder at inkorporere brand- og fjerdata (SI-tillæg, Fig. S3 og tabeller S1 – S3) og præstation i forudsigelse af variation i det samlede PM2.5 er på niveau med benchmark-fjernfølerbaserede tilgange (SI-tillægFig. S4) og overstiger rapporteret ydeevne for CTM'er (SI-tillæg). Vi sammenligner skøn fra denne metode med reduceret form med andre regionsspecifikke skøn over røgkoncentrationer i litteraturen, idet vi finder, at vores tilgang giver lignende skøn over andelen af ​​det samlede PM2.5 fra røg som nylige undersøgelser, der dækker mindre regioner eller perioder (SI-tillægFig. S5).

PM2.5 Fra WIldfires, der bidrager med op til halvdelen af ​​alle PM2.5 i Vesten

Vores resultater viser, at bidraget fra en brandrøg til PM2.5 koncentrationer i USA er vokset betydeligt siden midten af ​​2000'erne og har i de senere år tegnet sig for op til halvdelen af ​​den samlede PM2.5 eksponering i vestlige regioner sammenlignet med <20% for et årti siden (Fig 1H). Mens stigninger i bidrag fra røg til PM2.5 er koncentreret i det vestlige USA, de kan også ses i andre regioner (Fig 2 A , B), et resultat af fjerntransport af røg fra store brande. Faktisk anslås en voksende andel af røg i Midtvestlige og østlige regioner i USA at stamme fra brande i det vestlige USA eller uden for USA (13) (Fig 2 C , D), der afspejler nylige resultater af den samlede grænseoverskridende bevægelse af det samlede PM2.5 inden for USA (25). Eksponeringsmønstre er også relevante for debatter om miljøretfærdighed: Vi finder ud af, at mens amter med højere andele af ikke-spanske hvide i befolkningen er mindre udsat for total PM2.5, som det længe har været anerkendt i miljøretfærdighedssamfundet, er de faktisk mere udsatte i gennemsnit for omgivende PM2.5 fra brandrøg (Fig 2 E , F). Hvordan disse forskelle i omgivelsesrøgbaseret PM2.5 eksponering oversat til faktiske individuelle eksponeringer vil afhænge af en række individuelle faktorer, herunder forskelle i tid brugt udendørs og i egenskaberne ved indendørs hjem og arbejdsmiljøer, hvoraf mange kan korrelere med socioøkonomiske faktorer. F.eks. Er infiltration af forurenende stoffer i hjemmet kendt for at være højere i gennemsnit for ældre, mindre hjem og for husstande med lavere indkomst (26), og disse forskelle kan føre til forskelle i den samlede individuelle eksponering, selvom omgivelsernes eksponering ikke er forskellig.

 

 

Mængden, kilden og forekomsten af ​​en brandrøg. (A og B) Gennemsnitlige forudsagte mikrogram pr. Kubikmeter på PM2.5 som kan henføres til brandrøg i 2006 til 2008 og 2016 til 2018, beregnet ud fra en statistisk model, der passer til satellitafledte røgdæmningsdata. (C) Andel af røg med oprindelse uden for USA, juni til september 2007 til 2014 (beregnet ud fra ref. 13), med en betydelig mængde røg i det nordøstlige og mellemvestlige land, der stammer fra canadiske brande og ca. 60% af røg i det nordøstlige, der stammer uden for landet; nationalt anslås ~ 11% af røg at stamme uden for landet. (D) Andelen af ​​røg med oprindelse i det vestlige USA juni til september 2007 til 2014. Røg med oprindelse i det vestlige USA tegner sig for 54% af den røg, der opleves i resten af ​​USA. (E og F) Gradvise eksponeringsgradienter er modsatte for partikler fra røg sammenlignet med total partikler: Over hele det coterminøse USA har amter med en højere befolkningsandel af ikke-spanske hvide lavere gennemsnitlig partikeleksponering, men højere gennemsnitlig omgivende eksponering for partikler fra røg (P <0.01 for begge forhold).

 

Hvad er de fremtidige politiske muligheder?

Disse tendenser og mønstre fremhæver vigtige spændingspunkter mellem eksisterende luftkvalitetsregulering og den voksende trussel fra brandrøg og rejser vigtige ubesvarede forskningsspørgsmål, der vil være kritiske for at informere politiske valg. Nuværende tilgange til regulering i USA behandler luftkvaliteten primært som et lokalt problem, hvor amter straffes, hvis koncentrationer af forurenende stoffer overstiger de angivne kort- eller langvarige tærskler. Nuværende regulering i henhold til Clean Air Act fritager også potentielt brandrøg - men ikke røg fra foreskrevne forbrændinger - fra opnåelsesbetegnelse. Disse tilgange synes at være i modstrid med den grænseoverskridende natur og voksende bidrag fra ildrøg til luftkvaliteten.

For bedre at lede politikken vil et første nøgle videnskabeligt bidrag være en bedre kvantificering af røgeksponering og aftalte metoder til validering af disse eksponeringer. Både statistiske og transportbaserede tilgange til eksponeringsvurdering har deres styrker og mangler, og ydeevnen for begge skal evalueres på baggrund af målinger, der er relevante for måling af downstream-sundhedsresponser. Især for at isolere røgeksponering fra potentielle sammenblandinger bruger de fleste statistiske tilgange i nyere sundhedseffektstudier variation over tid i forureningseksponering for at estimere sundhedseffekter. Dette indebærer, at røgmodeller, der anvendes til at estimere sundhedseffekter, skal evalueres i deres evne til at forudsige tidsmæssig variation i PM2.5 på relevante steder, ikke kun rumlige mønstre i PM2.5 niveauer mest eksisterende valideringsindsats fokuserer på sidstnævnte. For at beskytte mod overmontering skal disse evalueringer foretages på grunddata, der ikke bruges i modeluddannelse. Vores model viser, hvordan en relativt enkel statistisk tilgang med rimelighed nøjagtigt kan forudsige variation i røgbaseret PM2.5, men sådanne tilgange - enten alene eller i kombination med CTM'er - kan sandsynligvis forbedres væsentligt. [Selvom vi ikke betragter dem her, kan forbedret løbeildaktivitet også have meningsfuld negativ indvirkning på vandkvaliteten gennem øget afstrømning og efterfølgende suspension af partikler, spormetaller og kemikalier (27); bedre måling af disse eksponeringer og deres sundhedseffekter er et andet nøgleområde for forskning.]

Et andet videnskabeligt centralt spørgsmål er arten af ​​sundhedsmæssige reaktioner på brandrøg. Voksende beviser tyder på en række negative sundhedsmæssige konsekvenser forbundet med eksponering for røg i vildmark (10, 28), i overensstemmelse med en bred litteratur om de bredere sundhedsmæssige konsekvenser af forurenet luft. De seneste beviser tyder på, at der ikke er noget "sikkert" niveau for eksponering for vigtige forurenende stoffer som f.eks PM2.5 (29, 30), men forskelle i form af forurenings-sundhedsfunktion ved lave eksponeringsniveauer kan have store konsekvenser for fordelene ved forureningsreduktion.

For at illustrere denne følsomhed kombinerer vi forureningsændringer forudsagt fra vores statistiske model med tre nyligt offentliggjorte dødelighedsfunktioner (29, 31, 32) for at simulere ændringer i ældre voksne dødelighed forudsagt af forskellige ændringer i PM2.5 eksponering induceret ved afbødning af brandrøg. Vejledt af eksisterende estimater for, hvordan ordineret afbrænding reducerer efterfølgende brandildaktivitet33) (SI-tillæg), vurderer vi stiliserede scenarier, hvor brugen af ​​ordineret afbrænding ændrer den årlige fordeling og den samlede mængde af PM2.5 fra røg. Estimater af det årlige antal liv, der er reddet blandt ældre voksne for en given ændring i røg, adskiller sig med en faktor 3 på tværs af de offentliggjorte responsfunktioner, hvilket indebærer store gennemsnitlige forskelle i fordelene ved røgbekæmpelseFig 3). Bevis for, om visse populationer er mere modtagelige for røgeksponering, mangler også (10, 28).

 

Sundhedsmæssige konsekvenser af ændringer i røgeksponering afhænger af den antagne dosis-respons-funktion og størrelsen af ​​ledelses- eller klimadrevne ændringer i røg. (A) Fordeling af PM2.5 for alle netcelleår i de sammenhængende USA, 2006 til 2018, under adskillige stiliserede strategier for styring af ildbrand og klimaforandringsscenarier (se SI-tillæg for detaljer). Baselinefordelingen af ​​det samlede forudsagte antal PM2.5 fra alle kilder er i sort. Grå distributioner viser alternative scenarier, hvor timingen og / eller mængden af ​​den samlede røgrelaterede PM2.5 ændres gennem ledelsesindgreb eller øges på grund af klima, herunder (hypotetisk) fuld eliminering af røg PM2.5. (B og C) Årligt antal undgået for tidlige dødsfald i den amerikanske befolkning 65+ år for hver ledelsesstrategi beregnet ved at kombinere PM2.5 distributioner i A med offentliggjort langvarig PM2.5 eksponeringsresponsfunktioner afbildet i C (293132).

Wildfire Management Strategier

De store potentielle sundhedsmæssige fordele ved røgbekæmpelse rejser også nøglespørgsmål om strategier til styring af brand. Eksisterende beviser giver for eksempel ikke en omfattende forståelse af, hvordan en given ordineret brændende intervention vil ændre timingen, mængden og den rumlige fordeling af røg, og vi finder, at alternative skøn over effekten af ​​ordineret brænding med henblik på at reducere den efterfølgende størrelse af skovbrande (33) kan føre til mere end dobbelt forskelle i estimerede sundhedsmæssige fordele ved ordinerede forbrændinger (Fig 3). Tilsvarende fokuserer den nuværende brandbekæmpelsesforståelse forståeligt på at beskytte hjem og strukturer, men den samlede befolknings sundhedsmæssige indvirkning af et stærkt forurenende løbeild, der ikke truer strukturer, kan være meget værre end en mindre brand, der truer strukturer. Derudover er brændstofstyringsaktiviteter målrettet mod lokalsamfundsbeskyttelse og fordele ved økosystemet og betragter ikke sandsynlige nedstrøms virkninger af løbeild på store befolkninger. Yderligere kvantitativt arbejde er nødvendigt for at hjælpe med at navigere i disse vanskelige kompromiser.

Et tredje nøglespørgsmål er, om kilde-agnostiker PM2.5-sundhedsresponsfunktioner er egnede til estimering af brand-røg-specifikke sundhedseffekter. Selv om det ofte er en hypotese, blandes eksisterende litteratur om, hvorvidt eksponering for brandrøg har andre sundhedsmæssige virkninger end eksponering for andre kilder til PM2.5 (34) med nogle beviser for, at forskelle er udfaldsspecifikke (35). Forbedret videnskab om dette emne - herunder nødvendige investeringer i specificeret overvågning for at skelne mellem brandspecifikke forurenende stoffer - vil være afgørende for forståelsen af ​​virkningen af ​​en brand.

For det fjerde, hvordan kan samspillet mellem klimaændringer og løbeild risikere politiske prioriteter? Et opvarmningsklima er ansvarlig for ca. halvdelen af ​​stigningen i det brændte område i USA (4), og fremtidige klimaændringer kan føre til op til en yderligere fordobling af branden-relaterede partikelemissioner i brandhæmmede områder (36) eller en mange gange stigning i brændt område (37, 38). Omkostningerne ved disse stigninger inkluderer både de efterfølgende økonomiske omkostninger og sundhedsomkostningerne ved eksponering for røg samt omkostningerne ved undertrykkelsesaktiviteter, direkte tab af menneskeliv og ejendom og andre tilpasningsforanstaltninger (f.eks. Strømafbrydelser), der har omfattende økonomiske konsekvenser. Det vides i øjeblikket ikke, om regnskabsmæssige omkostninger ved disse løbeildsrelaterede omkostninger betydeligt øger de anslåede samlede økonomiske skader fra klimaændringer.

Hvad koster det?

For at begynde at kvantificere de mulige omkostninger ved klimainduceret løbeildforøgelse bruger vi vores statistiske model og stiliserede scenarier til at beregne ændringen i røgeksponering og deraf følgende dødelighed forbundet med forventede stigninger i risiko for brand. Brug af forventede stigninger i fremtidig røg stort set i overensstemmelse med eksisterende litteratur (36-38), beregner vi, at øget dødelighed som følge af klimaforandringsinduceret brandrøg kunne nærme sig forventede samlede stigninger i temperaturrelateret dødelighed - i sig selv den største anslåede bidragsyder til økonomiske skader i USA (39) (SI-tillæg). Der er behov for mere detaljerede undersøgelser for at forfine disse skøn med hensyn til deres størrelse, deres geografiske specificitet og de særlige delpopulationer, der kan være mest berørt. Et nøglerelateret politikspørgsmål vil være, om og i hvilken grad de nuværende undtagelser fra loven om ren luft, der er tildelt stater, skal ændres for forureningspåvirkninger fra brændende røg, da disse ødelægger gevinsten ved indsats med henblik på at PM2.5 fra andre forureningskilder.

Hvad er forbindelsen mellem skovbrande og Covid-19 infektioner?

Endelig har skovbrande stærkt interageret med COVID-19-pandemien på måder, der kræver yderligere undersøgelse. COVID-19 har til en vis grad hæmmet regeringens og den private sektors evne til at reagere på brandrisiko inden, mens og efter brande opstår. Omfanget af 2020-ildsæsonen i mange dele af Vesten, hvor tørke i regntiden 2019 til 2020 fulgte en ophobning af brændstoffer i en relativt våd sæson 2018 til 2019 har givet særligt akutte udfordringer. Wildland brandmandstræning blev forsinket eller undertiden annulleret, dømte brandmandskabsbesætninger var utilgængelige på grund af tidlig løsladelse fra statslige fængsler for at undgå COVID-udbrud, mange behandlinger med brændstofstyring fandt ikke sted om vinteren og foråret, forsyningsselskaber stod over for i det mindste nogle forsinkelser i risikobegrænsende aktiviteter i vildmark, og traditionelle tilgange til evakuering af løbeild har vist sig at være mere udfordrende på grund af nedsat kapacitet ved evakueringscentre som følge af sociale distancekrav. Det er i øjeblikket ukendt, men sandsynligt, at den historiske brandsæson og den deraf følgende røgpåvirkning også har forværret COVID-relaterede sundhedsresultater, da tidlige beviser tyder på, at eksponering for luftforurening øger både COVID-tilfælde og dødsfald i USA (40, 41) (et fund i overensstemmelse med forholdet mellem forurening og anden viral respiratorisk sygdom) (42, 43). En bedre årsagsforståelse af luftforureningens indvirkning på COVID-resultater, herunder fra brande, er en kritisk presserende forskningsprioritet, og forskere har givet retningslinjer for, hvordan luftforurening / COVID-forhold bedst kan undersøges (44). Resultater fra denne forskning kan være vigtige for at styre arbejds- og finansbegrænset brandbekæmpelsesindsats og brændstofstyringsstrategier, når pandemien fortsætter.

Find mere information om klimaændringer

Air Face Mask til hunde i Wildfire-røg