Содержание к диссертации
Введение
Литературный обзор 6
1.1. Анализ исследований условий биоклиматической комфортности 6
1.2. Заболеваемость как критерий оценки здоровья 19
1.3. Влияние климатических условий на организм человека 23
1.4. Применение математико-статистических и картографических методов в исследованиях 31
Объекты и методы исследования 34
2.1. Центральный федеральный округ как объект исследования. 34
2.2. Методы исследования 39
Оценка и анализ климатических и биоклиматических условий территории ЦФО 57
3.1. Характеристика климатических условий на террито рии ЦФО 57
3.2. Характеристика биоклиматических условий 71
Интегральная биоклиматическая комфортность территории ЦФО РФ 86
4.1. Анализ параметров интегральной биоклиматической комфортности 87
4.2. Оценка и зонирование территории ЦФО по показателю интегральной биоклиматической комфортности 90
Влияние климатических и биоклиматических условий на заболеваемость населения 97
5.1. Идентификация значимых классов болезней 97
5.2. Структура заболеваемости населения ЦФО по выявленным классам нозологий 99
5.3. Влияние климатических и биоклиматических условий на заболеваемость населения ЦФО 103
5.4. Анализ пространственного распределения степени влияния климатических факторов и их сочетаний на заболеваемость населения 122
Выводы 128
Список использованных источников
- Заболеваемость как критерий оценки здоровья
- Методы исследования
- Характеристика биоклиматических условий
- Оценка и зонирование территории ЦФО по показателю интегральной биоклиматической комфортности
Введение к работе
Актуальность исследований
Здоровье населения является индикатором благополучия любого общества и занимает приоритетное место в ряду ценностей человека (Келлер, Кувакин, 1998; Прохоров, 2001, 2005; Кочуров, 2005, 2008; Трифонова, 2008, 2010; Малхазова, 2001, 2010 и др.). В последние годы одним из ведущих факторов, оказывающих влияние на здоровье, рассматриваются климатические условия. Организм человека постоянно подвержен различным видам климатических воздействий, которые проявляются через одновременное действие температуры, влажности, атмосферного давления, скорости ветра, облачности и т.д. В связи с этим широкое распространение в изучении влияния климатических условий на состояние организма получило применение биоклиматических индексов, которые представляют собой сочетания действия нескольких метеопараметров (Арнольди, 1962; Айзенштат, 1969; Русанов, 1973, 2004; Григорьева, 2004; и др.). Исследования на основе описания отдельных биоклиматических параметров были проведены лишь для некоторых регионов России (Григорьева, 2003; Исаева, 2009; Андреев, 2009), однако для Центрального федерального округа (ЦФО) это направление недостаточно изучено. Не разработаны подходы определения интегральной биоклиматической комфортности. С этих позиций тема настоящей работы является актуальной.
Цель: оценка биоклиматической комфортности территории Центрального федерального округа РФ.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Создать базу данных по климатическим условиям на исследуемой территории и провести расчет биоклиматических индексов.
-
Провести анализ пространственно-временного распределения исследуемых климатических и биоклиматических условий на основе разработанных карт с применением современных геоинформационных систем.
-
Разработать методику определения интегральной биоклиматической комфортности, на основе которой провести зонирование территории.
-
Определить степень влияния климатических и биоклиматических условий на заболеваемость населения методами математико-статистического анализа.
Научная новизна работы. Впервые проведена оценка и анализ комплекса биоклиматических показателей по сети метеостанций ЦФО за период с 2001 по 2010 год. Предложены методы обработки пространственной информации с применением современных геоинформационных систем, с помощью которых создана картографическая база данных по климатическим и биоклиматическим условиям. Разработана оригинальная методика оценки интегральной биоклиматической комфортности, на основе которой проведено зонирование исследуемой территории с использованием разработанной шкалы уровней комфортности. Предложен подход по определению степени влияния климатических и биоклиматических условий на заболеваемость населения, реализация которого позволила идентифицировать наиболее приоритетные нозологические группы и оценить степень зависимости рассматриваемых параметров.
Практическое значение работы. Результаты исследования могут быть применены с целью научно-обоснованного выбора рекреационных зон; совершенствования системы мониторинга состояния здоровья населения и среды обитания для предупреждения и профилактики заболеваний; для обеспечения объективной информацией об уровнях риска для здоровья населения в связи с воздействием комплекса климатических факторов.
Достоверность результатов работы подтверждается качеством исходных материалов, корректностью методов исследования, математико-статистическим анализом исходных материалов и промежуточных расчетов с применением современных геоинформационных систем и статистических программных комплексов.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы были представлены на 6-ой и 7-ой Международной научно-практической конференции «Экология речных бассейнов», г.Владимир, 2011г., 2013г.; XI Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности», г. Санкт-Петербург, 2011г.; Международной конференции ««ИнтерКарто-ИнтерГИС - 18» Устойчивое развитие территорий: теория ГИС и практический опыт», г.Смоленск, 2012г.; на 32-ом Международном географическом конгрессе «География здоровья: проблемы окружающей среды и социальные вопросы XXI века», г.Берлин, Германия, 2012г.; а также в 2011 году получено свидетельство о краткосрочном повышении квалификации по теме «Экология и здоровье человека» (г. Самара). Автор принимал участие
в XI Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи, г.Москва, 2011г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано Г7 работ, из них 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 149 страницах, включает 6 таблиц и 48 рисунков; состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы, включающего 175 наименования (из них 16 на английском языке).
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность научному руководителю д.б.н., профессору Трифоновой Татьяне Анатольевне и доценту кафедры экологии ВлГУ, к.т.н. Краснощёкову Алексею Николаевичу за постоянное внимание к работе, ценные советы и рекомендации на всех этапах исследования.
Заболеваемость как критерий оценки здоровья
Взаимодействие человека и климатических условий является одним из наиболее активно разрабатываемых направлений биоклиматологии, которому посвящено множество работ в области физической географии, экологии, климатологии, биометеорологии, экологической климатологии, медицинской географии [5, 6, 10, 11, 26, 27, 66, 78, 127, 128].
Важность и интерес к изучению закономерностей влияния погоды связаны с огромным воздействием, которое она оказывает с одной стороны на комфортность проживания человека, а, следовательно, и на состояние здоровья населения, а с другой – практически на все сферы жизни и деятельности человека. Анализ всех воздействий окружающей среды на человека показывает, что наиболее существенными для здоровья, самочувствия человека и его жизнедеятельности являются факторы, которые определяют его тепловое состояние. При неблагоприятных сочетаниях этих факторов возникает угроза переохлаждения, обморожения, или же перегрева организма (теплового или солнечного удара).
В последние годы исследователи все чаще отмечают тот факт, что проживание человека в дискомфортных или экстремальных условиях приводит к быстрому истощению адаптационных резервов организма [7, 44, 59, 60].
Условия комфортности климата основываются на понятии физиологического комфорта, который возникает при условиях, когда терморегуляторная система организма испытывает наименьшее напряжение, то есть имеет место физиологический покой. Зона комфорта по метеорологичес ким условиям не является стандартной для всех людей и зависит от ряда условий: климатического пояса, времени года, возраста и т.д. [8, 10, 11].
Интегральная оценка дискомфортности климата территории России была проведена в 1995 г., результаты которой представлены в Атласе «Окружающая среда и здоровье населения России» [16]. Комфортность (дискомфортность) оценивалась по степени влияния основных климатических параметров, таких как температурный баланс, длительность зимы, частота зимних ветров и т.д. на условия жизни человека. Согласно полученным данным, максимальный уровень комфортности климата в России наблюдается в ряде районов Предкавказья, несколько ниже он на юге Европейской части России. Минимальный уровень комфортности характерен для некоторых районов восточной Якутии [37, 99].
Зарубежный опыт определения комфортности территории может быть рассмотрен на примере работы Витченко А.Н., Телеш И.А. (2011) [38]. Предложенная авторами методика основана на геоэкологической комфортности климата городов Беларуси и основана на расчете частных и интегральных эколого-климатических показателей состояния окружающей среды, характеризующих степень ее благоприятности для человека. Под геоэкологической оценкой комфортности климата города авторы понимают определение степени его благоприятности по отношению к организму человека с учетом естественного потенциала самоочищения атмосферы и влияния климата на режим эксплуатации жилых сооружений. Комфортность климата городов Беларуси оценивалась на основе среднесуточной метеорологической информации (средние суточные данные о температуре воздуха, его относительной влажности, давлении водяного пара, скорости ветра, атмосферном давлении и осадках, общей облачности, туманах) с 6 метеостанций областных центров за период с 1984 по 2008 гг. Авторами установлено, что в целом на протяжении исследуемого периода отмечается устойчивая тенденция к улучшению комфортности климата в крупных городах Беларуси.
Очевидно, что на организм человека оказывает влияние совокупность метеопараметров. Комплексы метеорологических величин и условий объединяются в типы или классы погод. Каждый класс погоды определяется строго ограниченными интервалами метеопараметров. В настоящее время широкое распространение получили несколько классификаций погод [70, 128, 130].
Классификация погод по Федорову-Чубукову (1956). В соответствии с этой классификацией все погоды разделены на три основные группы: безморозные погоды, погоды с переходом температуры через 0С и морозные погоды.
В классификации погод по Ажицкому Ю.А. (1963, 1966) выделяются: 1) благоприятная группа погод – характеризуется ровным ходом основных метеорологических элементов, межсуточной изменчивостью атмосферного давления не более 4 мб, температуры воздуха – 2С, скорость ветра не более 3 м/с, относительная влажность от 55 до 85%. Благоприятная погода хорошо переносится больными и дает возможность проводить все виды климатолечебных процедур; 2) относительно благоприятная группа погод – характеризуется изменением ровного хода метеорологических элементов, межсуточное колебание атмосферного давления 5-8 мбар, температуры воздуха – 3-4С, относительная влажность может быть ниже 55% и более 85%, скорость ветра – более 4м/с; 3) неблагоприятная группа погод – характеризуется резкими изменениями ровного хода метеорологических факторов, межсуточная изменчивость атмосферного давления составляет более 8 мбар, температура воздуха более 4С. В классификации погод по Русанову В.И. (1973, 2004) выделяют следующие группы погод [128]: 1) клинически благоприятная, характеризующаяся межсуточным повышением атмосферного давления и температуры воздуха; 2) клинически менее благоприятная, которая формируется при межсуточном понижении давления и температуры; 3) клинически неблагоприятный тип погоды при межсуточном понижении давления и повышении температуры; 4) клинически очень неблагоприятный тип погоды характеризуется межсуточным повышением давления и понижением температуры. Также существует классификация погоды по Овчаровой В.Ф. (1966, оказывающих влияние на теплоощущение человека, нашли свое отражение в виде ряда биоклиматических индексов, которые являются косвенными индикаторами оценки состояния окружающей человека среды, характеризуя в физическом отношении особенности е тепловой структуры [112]. Другими словами, биоклиматические индексы определяют уровень тепловой нагрузки на организм, а именно диапазон значений метеорологических факторов, при которых человек будет чувствовать себя комфортно или дискомфортно.
Методы исследования
Расчет перечисленных показателей осуществлялся с помощью разработанного скрипта «Интерполяция и расчет биоклиматических параметров в пространственно-заданной точке» (Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам №2011616600 от 24.08.2011) на интегрированном в GIS ArcView объектно-ориентированном языке программирования Avenue [85].
В результате реализации данного этапа обработана исходная база климатических данных и рассчитаны основные биоклиматические параметры, по которым в дальнейшем разрабатывался картографический материал.
Основой для разработки картографического материала послужила электронная карта ЦФО масштабом 1:500000 в проекции WGS-84, на которую наложен точечный слой месторасположения метеостанций. В атрибутивную таблицу данного слоя вносился номер метеостанции, соответствующий номеру в исходной таблице, которая была составлена в MicroSoft Excel, и содержащая данные по рассчитанным значениям климатических и биоклиматических параметров. После этого происходило преобразование и импорт атрибутивных данных, то есть созданная таблица была привязана к слою в ArcGIS. Таким образом, получен слой с атрибутивной таблицей, содержащей название метеостанции и рассчитанные значения климатических и биоклиматических параметров.
По каждому из климатических и биоклиматических полей создавались слои путем интерполяции в растр методом сплайн. Выбор данного метода определялся тем, что он наиболее удобен и предпочтителен в случаях с медленно меняющимися поверхностями [155,156]. В качестве «Поля Z значений» выбирался один из исследуемых параметров, тип сплайна – «регуляризованный», размер выходной ячейки устанавливался равным 0,01.
После этого с помощью утилиты «Классификация» редактировался вид изображения полученных данных, то есть выбиралась более рациональная и наглядная градация значений. Все карты создавались с сохранением присвоенных градаций значений и цветов, характерных для того или иного параметра.
Таким образом, были получены карты по 11 климатическим и 8 биоклиматическим показателям за каждый год (всего – около 1000 карт).
Для определения средних значений климатических и биоклиматических показателей на территории каждой из областей исследуемого округа полученные слои переводились из растра в точки с помощью функции «Конвертация» набора утилит «ArcToolbox» геоинформационной системы ArcGIS 9.3. В результате все ранее созданные растровые климатические и биоклиматические слои преобразовывались в точечные.
Далее, поочередно каждый из полученных точечных слоев был открыт в программе ArcView и добавлен к существующему слою, основанному на административном делении ЦФО. С помощью дополнительного модуля Geoprocessing выбрана функция Assign data by location, которая позволяет перемещать атрибуты одного слоя (слой с климатическими и биоклиматическими параметрами) в другой на основании общих элементов. В данном случае таким общим элементом является поле с названием областей. Далее, происходит соединение полигонов по общему значению в поле «Название области» с помощью функции Dissolve features based on an attribute. В качестве параметра, по которому проводился расчет, выбирался Average. В результате, в рабочем наборе вида ArcView добавляется новый слой, содержащий информацию о средних значениях исследуемых климатических и биоклиматических параметров по каждой из областей.
Анализ на основе описания биоклиматических условий по отдельным индексам не позволяет получить объективную информацию о степени комфортности условий территории в целом, так как в состав перечисленных показателей входят различные сочетания метеопараметров, также они имеют разные единицы измерения и градации значений комфорта на различное количество классов. В связи с этим, в данной работе предлагается оценить комфортность условий на основе показателя интегральной биоклиматической комфортности, который рассматривается как совокупность климатических показателей комфорта, обеспечивающих оптимальное состояние организма, при котором не возникает функционального напряжения механизмов адаптации.
В интегральный показатель биоклиматической комфортности включены такие показатели как: индекс патогенности погоды (I), биологически активная температура (БАТ), количественный критерий климатического комфорта (Н), эквивалентно-эффективная (ЕЕТ) и эффективная температура (ЕТ). Показатель температуры комфорта не учитывался, так как данный параметр не имеет своей классификации и может быть лишь сравнен с фактической температурой.
Каждый из биоклиматических параметров имеет общепринятую классификацию (Бокша, Богуцкий, Латышев 1980; Бутьева, 1980; Головина, 1986, 1993; Русанов, 1981, 1993, 2004; и др). С целью приведения показателей факторов к безразмерному виду в данной работе предлагается присваивать балльные оценки рассматриваемым биоклиматическим индексам. Для этого путем шкалирования существующая градация показателей была разбита на 5 классов, каждый из которых соответствует разному уровню комфортности (рисунок 2.4).
Характеристика биоклиматических условий
Термин «комфортность» употребляется в самых разных аспектах человеческой жизни. В социальной сфере комфортность рассматривается как система оценок условий жизнедеятельности, которая формируется на основе удовлетворения потребностей человека или населения (Салякин, 2010). В климатологии комфортность территории понимается как один из средообразующих факторов, формирующий эколого-климатический и природно-ресурсный потенциал, обеспечивающий жизнедеятельность населения [11]. От уровня комфортности того или иного региона в значительной мере зависит характер его освоения и заселения, сохранение здоровья населения, обеспечение нормальных условий труда, быта и отдыха.
Метеорологическим компонентом, обеспечивающим комфортное существование человека и его здоровье, является биоклимат – природный ресурс от состояния которого зависит комфортность ощущений и самочувствие человека, работоспособность, производительность труда и здоровье организма в целом. Для более глубокого анализа состояния комфортности территории ЦФО недостаточно характеристики отдельных биоклиматических условий, необходимо получение карты интегральной биоклиматической комфортности. В данном исследовании интегральная биоклиматическая комфортность рассматривается как совокупность климатических показателей комфорта, обеспечивающих оптимальное состояние организма, при котором не возникает функционального напряжения механизмов адаптации.
На основе предложенного алгоритма определены показатели интегральной биоклиматической комфортности. Для этого использовался прием сложения отдельных биоклиматических параметров с помощью инструмента «алгебра карт» в ГИС ArcGIS 9.3.
Величина интегральной биоклиматической комфортности складывается из отдельных параметров, включающих в себя различные метеорологические факторы. С целью определения приоритетных биоклиматических факторов создана модель комфортности (рисунок 4.1).
В данной модели расположение биоклиматических слоев упорядо-ченно в зависимости от его вклада в общую биоклиматическую комфортность. Согласно полученным результатам, практически на всей территории ЦФО наименьшее влияние оказывает такой биоклиматический параметр как количественный критерий климатического комфорта (Н), который отражает совместное влияние скорости ветра и температуры воздуха. Исключение составляет территория Костромской области, где влияние количественного критерия климатического комфорта превалирует над влиянием эффективной температуры. Вклад эквивалентно-эффективной температуры (ЕЕТ) и индекса патогенности погоды (I) приблизительно одинаков. Однако, для территорий, расположенных в восточной части округа, влияние индекса патогенности выше, чем эквивалентно-эффективной температуры. Основное влияние на биоклиматическую комфортность оказывает биологически активная температура (БАТ), которая одновременно учитывает температуру, влажность воздуха и скорость ветра. При этом для территорий Ярославской и Ивановской областей влияние биологически активной температуры несколько ниже по сравнению с Костромской областью.
Такое пространственное распределение биоклиматических параметров свидетельствует о дискомфортности сочетания таких метеофакторов как скорость ветра и температура воздуха, которые входят в состав количественного критерия климатического комфорта. Так как эти климатические параметры имеют непосредственную связь с орографическими особенностями местности, то представлялось целесообразным провести совместный анализ карты рельефа ЦФО и биоклиматической комфортности, основанный на математическом расчете долевой близости двух поверхностей, а именно поверхности рельефа и поверхности интегральной биоклиматической комфортности. Проведенное исследование выявило зоны сильного и слабого влияния (рисунок 4.2). Отмечена общая закономерность, что при увеличении высоты над уровнем моря возрастает влияние рельефа на формирование показателя комфортности.
Проведенный анализ позволил выявить, что регионы, расположенные на Среднерусской возвышенности отличаются более низким уровнем комфортности по сравнению с регионами, расположенными на равнинной местности. Однако, на территории Рязанской, Тамбовской, Воронежской областей при однородных и одинаковых условиях рельефа уровень комфортности различается.
Оценка и зонирование территории ЦФО по показателю интегральной биоклиматической комфортности
регионами. При одинаковых значениях индекса патогенности минимальные значения заболеваемости характерны для Отрицательное влияние на состояние системы кровообращения оказывает индекс патогенности погоды, складывающийся из частных индексов патогенности метеопараметров. Влияние индекса патогенности варьирует в диапазоне от 50% до 86%. В пространственном отношении влиянию индекса патогенности наиболее подвержены люди, проживающие в западных и южных регионах ЦФО. При этом, в южных областях, таких как Липецкая, Воронежская и Белгородская, влияние I выражено сильнее по сравнению с другими южных областей.
Влияние такого биоклиматического показателя как количественный критерий климатического комфорта, который является функцией зависимости скорости ветра и температуры воздуха, установлено в западной части округа (территория Брянской области r=0,44) и в восточной части (территория Рязанской области r=0,79). При этом негативное влияние на систему кровообращения оказывают сочетания низкой температуры воздуха и низкой скорости ветра.
От температуры воздуха напрямую зависит содержание кислорода, к которому очень чувствительны люди с заболеваниями системы кровообращения. Самое заметное влияние оказывает сочетание температуры воздуха и влажности. Показатель эффективной температуры воздуха отражает совместное влияние этих двух параметров. Дискомфортные условия для системы кровообращения складываются в северной части ЦФО. Согласно полученным уравнениям корреляции, неблагоприятные условия для людей с заболеваниями системы кровообращения, складываются при увеличении температуры и одновременном увеличении или снижении влажности воздуха. При таких условиях скорость ветра оказывает дискомфортное влияние на организм человека. Влияние ЕЕТ выявлено только на территории Курской области. Увеличение значения эквивалентно-эффективной температуры способствует созданию комфортных условий, не вызывающих негативных реакций со стороны состояния системы кровообращения.
Таким образом, выявлены климатические факторы и их сочетания, оказывающие влияние на систему кровообращения человека. Однако, следует учитывать, что не только перечисленные условия способны оказывать влияние на заболеваемость населения. Климатические факторы можно рассматривать как часть сложной системы взаимодополняющих условий, способных создавать дискомфортные условия, которые провоцируют дезадаптацию организма и тем самым приводят к возникновению или обострению заболевания.
Проведенный анализ выявил, что наибольшее влияние оказывают температурно-ветровые показатели, а именно температура комфорта и количественный критерий климатического комфорта.
Таким образом, анализ распределения климатических показателей, оказывающих влияние на заболевания системы кровообращения населения территории ЦФО для медико-географической оценки его административных районов позволяет отметить, что в целом территория ЦФО характеризуется значительными различиями указанных параметров, влияющих на здоровье населения.
Учитывая, что климатические условия действуют не изолированно, а комплексно, следовательно, в зависимости от сочетания этих факторов воздействие на организм будет различным, что находит отражение в полученных результатах оценки влияния биоклиматических индексов.
Несмотря на то, что в ряде областей складываются комфортные условия по климатическим и биоклиматическим показателям, регистрируются высокие уровни заболеваемости (например, для населения Ярославской области не выявлено достоверного влияния рассматриваемых показателей), что свидетельствует о большом значении других факторов риска.
Влияние климатических и биоклиматических условий на болезни нервной системы На протяжении всего периода исследования (с 2001 по 2010 год) наблюдается тенденция увеличения заболеваемости населения болезнями нервной системы на территории всего округа. Пространственный анализ заболеваемости выявляет неоднородность ее распространения с формированием районов с высоким и низким уровнем (рисунок 5.9). Южные регионы ЦФО (Белгородская область) отличается наиболее высоким уровнем заболеваемости (более 90 чел. на 1000 населения); низкий уровень характерен преимущественно для населения, проживающего в западных областях, расположенных на Среднерусской возвышенности, таких как Тверская, Брянская и Калужская области, а также в восточных областях – Владимирской и Тамбовской. В указанных регионах заболеваемость населения болезнями нервной системы составляет приблизительно 60 человек на 1000 всего населения. На остальной части ЦФО уровень заболеваемости изменяется от 30 до 60 человек на 1000 всего населения.
Различный уровень заболеваемости населения свидетельствует о наличии большого количества разнообразных факторов, как внешних, так и внутренних, оказывающих влияние на возникновение или обострение болезней нервной системы.
Изменения условий, в том числе климатических, оказывают влияние на нервную систему организма человека. В зависимости от ряда показателей (частота воздействия и его продолжительность) такие изменения могут оказывать тонизирующее или наоборот негативное влияние.
