米国における山火事の変化するリスクと負担は何ですか？

アメリカ合衆国科学アカデミー紀要（PNAS）によって発表された新しい研究は、山火事とその結果としての有毒な煙の厳しい未来を予測しています。新たに結論付けられた研究の要約は次のとおりです。

研究論文全文はこちら：https://www.pnas.org/content/118/2/e2011048118#F1

致命的な世界的な山火事の増加

世界的な山火事活動の最近の劇的で致命的な増加は、山火事の原因、その結果、および山火事によるリスクをどのように軽減するかについての注目を高めています。ここでは、米国における山火事のリスクと社会的負担の変化に関するデータをまとめています。現在、米国では約50万戸の住宅が荒野と都市の境界にあり、その数は1年ごとに3万戸ずつ増加していると推定されています。山火事活動の変化が大気汚染と関連する健康上の結果にどのように影響するか、そしてこれらのつながりが将来の科学と政策をどのように導くかを説明するために、衛星ベースの火災と煙のデータを汚染監視ステーションからの情報に関連付ける統計モデルを開発します。

米国では、山火事がPM25粒子状物質の最大2.5％を占めています。

本モデルを用いて、近年米国全土におけるPM25 （直径2.5μm未満の微粒子状物質）の最大2.5%が山火事によるものであり、西部の一部地域では最大で半分を占めていると推定される。_また、大気中の煙への曝露の空間パターンは、従来の社会経済的な汚染曝露勾配とは一致しない。本モデルを様式化されたシナリオと組み合わせることで、燃料管理介入が大きな健康上の利益をもたらす可能性があり、気候変動によって引き起こされる山火事の煙による将来の健康影響は、気候変動による気温上昇に伴う死亡率の全体的な増加予測に匹敵する可能性があるが、いずれの推定値も不確実性があることを示した。本モデルの結果を用いて、今後の研究における重要な分野を明らかにし、政策立案のための教訓を導き出す。

米国の山火事による火傷地域は過去400年間で最大XNUMX％です

過去XNUMX年間で、山火事による焼失地域は米国でおよそXNUMX倍になりました（図1A）（1この急速な成長は、過去1世紀にわたる防火対策の遺産による燃料の蓄積など、多くの要因によって引き起こされています（2）および最近の燃料乾燥の増加（図1B、米国西部で示されている）、気候が温暖化するにつれて続くと予想される傾向（3, 4これらの増加は、森林と都市の境界域（WUI）における住宅数の大幅な増加と並行して発生しています。米国全土の住宅位置に関するデータと更新された全国土地被覆マップを使用して、以前の研究を更新します（5, 6）WUIには現在約4900万戸の住宅があると推定されており、この数は過去20年間で年間約35万戸ずつ増加している（図1C (NAIST) と SI付録）。消防活動は個人住宅の保護に実質的に焦点を合わせているため（7）、これらの要因は、米国政府による山火事抑制への支出の着実な増加に貢献しています（図1D）、これは近年、連邦支出で合計約3億ドル/年になっています（1）。米国南東部では総野焼き面積が増加していますが、他の地域ではほぼ横ばいです（図1E）、山火事リスクの全体的な大幅な増加を考えると、このリスク軽減戦略への投資が不足していることを多くの人に示唆しています（8).

ドライバーの傾向と山火事の結果。（AおよびB）米国の公有地および私有地における焼失面積の増加（A）（1）米国西部でここに示されているように、燃料の乾燥度の上昇によって部分的に推進されてきました（4）（B）。（CおよびD）WUI内の住宅数も急速に増加しています（C、我々の計算）。 SI付録）、これは連邦政府が負担する抑制コスト（D）の上昇に貢献しています。（E）野焼き面積は南部で大幅に増加しましたが、他のすべての地域では横ばいです（1（FとG）米国全土で煙の日が増加しており（F）、米国全土の10年間の大気質改善を損なっている可能性がある（G）。（H）全体的な割合が増加していると計算している。 ${P M}_{2.5}$ 特に西部における山火事の煙に起因するものと考えられる。各グラフの赤線と青線は、過去のデータに対する線形近似を示しており、各パネルの左上に傾きが示されている。南部以外の地域での計画的焼却を除き、すべてゼロとは有意に異なっている（それぞれP <0.01）。赤線は基礎データが公表された研究または政府データであることを示し、青線はこの論文からの新たな推定値を示している。

高まる懸念

この火災活動の変化が全体的な大気質や健康への影響にどのような結果をもたらすのか、また政策はどのように対応すべきなのか。衛星データから推定すると、米国全土で山火事活動が大幅に増加し、大気中に煙がある日数も大幅に増加している（図1F ）。このような増加は、西部だけでなく米国本土全体で観測されており、過去9年間に米国全土で観測された大気質の大幅な改善を覆す恐れがある（図1G ）。山火事の影響は、米国南部と西部の農村地域でそれぞれ春と夏の有機炭素濃度が上昇傾向にあることからもすでに明らかであり（補足資料、図S1）、大気中に煙があると、曝露された人々の罹患率と死亡率が上昇する可能性があることが研究で判明している（ 10、11 ）。

人口密集地への挑戦

山火事活動の変化が大気の質に及ぼす幅広い寄与を理解する上での課題は、しばしば遠く離れた人口密集地での火災活動を関連する汚染物質曝露に正確に関連付けることの難しさです（12衛星による煙曝露量の測定はますます利用可能になりつつあり、煙のモニタリングによって発生源と受容地域が直感的に結びつくため魅力的である。しかし、このようなデータはまだ煙の密度を正確に測定したり、地表付近の煙と大気柱の上層部の煙を分離したりするために使用することはできず、したがって、既存の曝露と健康反応の関係に結びつけることは難しい（13, 14化学輸送モデル（CTM）は、山火事による排出物の移動と変化を直接モデル化できるため、局所的な汚染濃度と特定の火災活動を関連付ける代替アプローチを提供します。しかし、CTMから正確な曝露推定値を生成するには、発生源と受容体間の経路におけるいくつかの大きな不確実性を克服する必要があります。まず、山火事排出インベントリの大きな不確実性により、山火事に起因する排出量に何倍もの差が生じることが示されています。 ${P M}_{2.5}$ 同じCTMへの入力として異なる在庫が使用された場合の米国全体の（直径<2.5μmの粒子状物質）濃度（および高火災年の> 20x地域差）（15, 16）、衛星観測の統合はパフォーマンスをわずかに改善するだけです（17) 第二に、排出物の注入高度や非常に局所的な気象条件、それらの輸送など、排出物を取り巻く詳細な条件はモデルでは捉えられない可能性があり、下流の曝露推定値に劇的な影響を与える可能性があります (18, 19最後に、大気化学のCTM表現は、山火事の煙の進化を正確に捉えていない可能性があります（20 ⇓⇓⇓–24モデルに関連する不確実性に加えて、大規模な空間的および時間的スケールでCTMを実行するための計算コストが高いため、米国全土の数百の地上観測所から入手可能な長期の濃度測定系列に対してモデルが検証されることはほとんどありません。

衛星煙プルーム画像

米国全体の粒子状物質曝露に対する山火事の変化する寄与をさらに理解し、山火事、汚染、および気候の交差点で残っている重要な科学的および政策的問題を説明するために、衛星推定の変化に関連する統計モデルをトレーニングおよび検証します地上で測定された煙プルーム曝露と火災活動 ${P M}_{2.5}$ 米国の地域全体の濃度（SI付録、図S2）。私たちのモデルは、変動を予測するように特に訓練されています ${P M}_{2.5}$ 時間の経過とともに多くの個々の場所で変動します。この変動は、大気汚染物質の変化が主要な健康結果にどのように影響するかを理解するためにますます利用されています。私たちのアプローチは不確実な排出量インベントリに依存しておらず、プルーム拡散のモデリングの困難を軽減し、結果は、モデルのトレーニングに使用されていない 10 年以上の地上データと比較して容易に検証できます。モデル推定は、火災とプルームデータを組み込む別の方法に対して頑健です (SI付録、図S3および表S1〜S3）および全体の変動を予測する際のパフォーマンス ${P M}_{2.5}$ ベンチマークのリモートセンシングベースのアプローチと同等です（SI付録、図S4）およびCTMの報告されたパフォーマンスを超えています（SI付録）この簡略化されたアプローチによる推定値を、文献にある他の地域別の煙濃度推定値と比較したところ、我々のアプローチは全体の煙濃度の割合について同様の推定値を提供することがわかった。 ${P M}_{2.5}$ より小さな地域または期間をカバーする最近の研究としての煙から（SI付録、図S5).

西部のすべてのPM2.5の半分まで貢献している山火事からのPM2.5

私たちの結果は、PMへの山火事の煙の寄与を示しています_2.5 米国におけるPM2.5濃度は2000年代半ば以降大幅に増加しており、近年ではPM2.5全体の最大半分を占めるまでになっている。_2.5 20年前の<XNUMX％と比較した西部地域の曝露（図1H）。 PMへの煙の寄与が増加している間_2.5 西部アメリカに集中しているが、他の地域でも見られる（図2 A (NAIST) と B）、大火からの煙の長距離輸送の結果。実際、米国の中西部および東部地域では、煙の割合が増加しているのは、米国西部または米国外からの火災に起因すると推定されています（13）（図2 C (NAIST) と D）、全体の実質的な国境を越えた動きに関する最近の調査結果を反映しています ${P M}_{2.5}$ 米国内（25）。曝露パターンは、環境正義の議論にも関連しています。人口に占める非ヒスパニック系白人の割合が高い郡では、全体への曝露が少ないことがわかります。 ${P M}_{2.5}$ 、環境正義のコミュニティで長い間認識されてきたように、彼らは実際には平均して周囲にさらされています ${P M}_{2.5}$ 山火事の煙から（図2 E (NAIST) と F）。周囲の煙に基づくこれらの違い ${P M}_{2.5}$ ばく露は実際の個々のばく露に変換され、屋外で過ごす時間の格差や屋内の家庭や職場環境の特性など、さまざまな個別の要因に依存します。これらの多くは社会経済的要因と相関している可能性があります。たとえば、屋外の汚染物質の家への浸透は、古くて小さい家や低所得世帯で平均して高いことが知られています（26）、そしてこれらの違いは、たとえ周囲の曝露に違いがなくても、全体的な個々の曝露に格差をもたらす可能性があります。

山火事の煙の量、発生源、発生頻度。（AとB）立方メートルあたりの平均予測マイクログラム ${P M}_{2.5}$ 2006年から2008年および2016年から2018年の山火事の煙に起因する煙の割合（衛星由来の煙のプルームデータに適合する統計モデルから計算）。(C) 2007年から2014年の6月から9月までの米国以外で発生した煙の割合（参照から計算）。 13）、カナダの火災に起因する北東部と中西部のかなりの量の煙と、国外に由来する北東部の煙の約60％。全国的に、煙の約11％は国外で発生すると推定されています。（D）2007年2014月から54月、0.01年までの米国西部で発生した煙の割合。米国西部で発生した煙は、米国の他の地域で発生した煙のXNUMX％を占めています。（EおよびF）人種曝露勾配は、総粒子状物質と比較して煙からの粒子状物質では反対です：隣接する米国全体で、非ヒスパニック系白人の人口比率が高い郡では、平均粒子状物質曝露は低くなりますが、煙からの粒子状物質（両方の関係でP <XNUMX）。

将来のポリシーオプションは何ですか？

これらの傾向とパターンは、既存の大気質規制と山火事の煙による脅威の増大との間の重要な緊張関係を浮き彫りにし、政策決定に不可欠な未解決の重要な研究課題を提起する。米国の現在の規制アプローチでは、大気質は主に地域的な問題として扱われ、汚染物質濃度が指定された短期または長期の閾値を超えた場合に郡が罰せられる。また、大気浄化法に基づく現在の規制では、山火事の煙は（計画的な野焼きの煙は除く）達成指定から除外される可能性がある。これらのアプローチは、山火事の煙が国境を越えて大気質に与える影響の増大という性質と矛盾しているように見える。

政策をより適切に導くために、最初の重要な科学的貢献は、煙への曝露をより正確に定量化し、これらの曝露を検証するための合意された方法を確立することである。曝露評価に対する統計的手法と輸送ベースの手法にはそれぞれ長所と短所があり、両方の性能は下流の健康反応の測定に関連する指標に基づいて評価されるべきである。特に、煙への曝露を潜在的な交絡因子から分離するために、最近の健康影響研究におけるほとんどの統計的手法は、汚染曝露の時間的変動を使用して健康影響を推定している。これは、健康影響を推定するために使用される煙モデルは、時間的変動を予測する能力において評価されるべきであることを意味する。 ${P M}_{2.5}$ 関連する場所では、空間パターンだけでなく ${P M}_{2.5}$ レベル。既存の検証作業のほとんどは後者に焦点を当てています。過学習を防ぐため、これらの評価はモデルトレーニングに使用されていない地上データで行う必要があります。私たちのモデルは、比較的単純な統計的手法が煙ベースの変動を合理的に正確に予測できることを示しています。 ${P M}_{2.5}$ 、しかし、そのようなアプローチは、単独で、またはCTMと組み合わせて、大幅に改善される可能性があります。 [ここではそれらを考慮していませんが、山火事活動の強化は、流出の増加とそれに続く粒子、微量金属、および化学物質の懸濁を通じて、水質に有意義な悪影響を与える可能性もあります（27）; これらの曝露とその健康への影響をより適切に測定することは、研究のもうXNUMXつの重要な分野です。]

XNUMX番目の重要な科学的質問は、山火事の煙に対する健康反応の性質です。増大する証拠は、山火事の煙への曝露に関連する一連の健康への悪影響を示しています（10, 28）、汚染された空気のより広範な健康への影響に関する膨大な文献と一致しています。最新の証拠は、次のような主要な汚染物質への「安全な」レベルの曝露がないことを示唆しています。 ${P M}_{2.5}$ (29, 30）が、低レベルの曝露での汚染-健康応答関数の形状の違いは、汚染削減の利点に大きな影響を与える可能性があります。

この感度を説明するために、統計モデルから予測される汚染の変化と、最近発表された 3 つの死亡率反応関数 (29, 31, 32）のさまざまな変化によって予測される高齢者の死亡率の変化をシミュレートする ${P M}_{2.5}$ 山火事の煙を軽減することによって誘発される曝露。野焼きがその後の山火事活動をどのように減らすかについての既存の推定に導かれます（33）（SI付録）、野焼きを使用すると、年々の分布と全体の量が変化する定型化されたシナリオを評価します ${P M}_{2.5}$ 煙による影響。煙の変化に対する高齢者の年間救命数の推定値は、公表されている反応関数によって3倍も異なり、煙の軽減による利益には大きな平均差があることを示唆している（図3）。特定の集団が煙にさらされやすいかどうかについての証拠も不足しています（10, 28).

煙曝露の変化による健康への影響は、想定される用量反応関数と、管理または気候に起因する煙の変化の大きさに依存します。（A）の分布 ${P M}_{2.5}$ 2006年から2018年までの米国本土のすべてのグリッドセル年について、いくつかの様式化された山火事管理戦略と気候変動シナリオの下で（参照） SI付録詳細については）。予測された合計のベースライン分布 ${P M}_{2.5}$ すべてのソースから黒で表示されます。灰色の分布は、全体的な煙に関連するタイミングおよび/または量が含まれる代替シナリオを示しています ${P M}_{2.5}$ 管理介入によって変化するか、または（仮説上の）煙の完全な排除を含む気候によって増加する。 ${P M}_{2.5}$ （BおよびC）各管理戦略による米国65歳以上人口における年間回避早死者数（以下を組み合わせることにより算出） ${P M}_{2.5}$ 長期公開されたAのディストリビューション ${P M}_{2.5}$ Cで表される露出応答関数（29, 31, 32).

山火事管理戦略

煙害軽減による健康上の大きなメリットは、山火事管理戦略に関する重要な疑問も提起します。例えば、既存の証拠は、計画的な野焼き介入が煙の発生時期、量、空間分布をどのように変化させるかについて包括的な理解を提供しておらず、計画的な野焼きがその後の山火事の規模を縮小する効果に関する代替推定値（33）は、計画的な野焼きによる健康上のメリットの推定値に2倍以上の差をもたらす可能性があることがわかっています（図3）。同様に、現在の消火活動は当然ながら家屋や建造物の保護に重点を置いていますが、建造物を脅かさないものの汚染度の高い山火事による全体的な人口の健康への影響は、建造物を脅かす小規模な火災による影響よりもはるかに深刻になる可能性があります。さらに、燃料管理活動は地域社会の保護と生態系の利益を目的としており、山火事が大規模な人口に及ぼす可能性のある下流への影響は考慮されていません。これらの困難なトレードオフに対処するためには、さらなる定量的研究が必要です。

XNUMX番目の重要な質問は、ソースにとらわれないかどうかです ${P M}_{2.5}$ -健康-反応関数は、山火事の煙特有の健康影響を推定するのに適しています。一般的に仮説として立てられていますが、山火事の煙への曝露が他の発生源からの曝露とは異なる健康影響をもたらすかどうかについては、既存の文献で意見が分かれています。 ${P M}_{2.5}$ (34）、違いが結果固有であるといういくつかの証拠があります（35）。山火事特有の汚染物質を区別するための特定のモニタリングへの必要な投資を含む、このトピックに関する科学の改善は、山火事の影響を理解するために重要です。

第四に、気候変動と山火事リスクの相互作用は、政策の優先順位をどのように形成する可能性があるでしょうか。温暖化は、米国における焼失面積の増加の約半分の原因となっており（4 ）、将来の気候変動は、火災が発生しやすい地域での山火事関連の粒子状物質排出量をさらに最大で2倍に増加させる可能性があり（36 ）、焼失面積を何倍にも増加させる可能性があります（37、38）。これらの増加によるコストには、煙への曝露による下流の経済的および健康上のコスト、消火活動のコスト、直接的な人命および財産の損失、および広範囲にわたる経済的影響を伴うその他の適応策（例：停電）のコストが含まれます。これらの山火事関連のコストを考慮に入れることで、気候変動による推定される全体的な経済的損害がどれほど増加するかは、現時点では不明です。

この費用はいくらですか？

気候変動による山火事増加の可能性のあるコストを定量化するために、統計モデルと様式化されたシナリオを使用して、予測される山火事リスクの増加に伴う煙への曝露の変化とそれに伴う死亡率を計算します。既存の文献と概ね一致する将来の煙の増加予測を使用して（36 ⇓–38）、気候変動によって引き起こされた山火事の煙による死亡率の増加は、気温に関連する死亡率の予測される全体的な増加に近づく可能性があると計算します。これ自体、米国の経済的損害の最大の推定原因です（39）（SI付録これらの推定値を、その規模、地理的特異性、そして最も影響を受ける可能性のある特定の集団に関してより精緻化するには、より詳細な研究が必要である。関連する重要な政策課題は、山火事の煙による汚染の影響に関して州に認められている大気浄化法の現行の例外規定をどの程度変更すべきかということである。なぜなら、これらの例外規定は、大気汚染の軽減を目指す取り組みの成果を損なうからである。 ${P M}_{2.5}$ 他の汚染源から。

山火事とCovid-19感染の関係は何ですか？

最後に、山火事はCOVID-19パンデミックと強く相互作用しており、さらなる研究が必要です。COVID-19は、山火事発生前、発生中、発生後の政府および民間部門の山火事リスクへの対応能力をある程度阻害しました。2018年から2019年の比較的湿潤な雨季に燃料が蓄積された後、2019年から2020年の雨季に干ばつが発生した西部の多くの地域では、2020年の山火事シーズンの規模が特に深刻な課題となりました。山火事消防士の訓練は遅延または中止され、COVIDの発生を避けるために州刑務所から早期釈放された受刑者消防隊は利用できず、多くの燃料管理処理は冬と春に行われず、電力会社は山火事リスク軽減活動で少なくともいくらかの遅延に直面し、ソーシャルディスタンスの要件により避難所の収容能力が低下したため、従来の山火事避難方法はより困難であることが判明しました。現時点では不明だが、歴史的な山火事シーズンとそれに伴う煙の影響が、COVID-19関連の健康状態を悪化させた可能性が高い。初期の証拠では、大気汚染への曝露が米国におけるCOVID-19の症例数と死亡者数の両方を増加させることを示唆している（40、41 ）（この発見は、汚染と他のウイルス性呼吸器疾患との関係と一致している）（42、43）。山火事によるものを含め、大気汚染がCOVID-19の結果に及ぼす影響の因果関係をよりよく理解することは、極めて緊急の研究優先事項であり、研究者たちは大気汚染とCOVID-19の関係をどのように研究するのが最適かについてのガイドラインを提供している（44 ）。この研究からの知見は、パンデミックが続く中で、労働力と資金が制約された消火活動と燃料管理戦略を導く上で重要となる可能性がある。

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