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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-18020
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/1802/


Koppe, Christina

Gesundheitsrelevante Bewertung von thermischer Belastung unter Berücksichtigung der kurzfristigen Anpassung der Bevölkerung an die lokalen Witterungsverhältnisse

Health-relevant assessment of the thermal environment allowing for the population's short-term adaptation to the local weather conditions

Dokument1.pdf (1.915 KB) (md5sum: 4dc59f7db0d2415a537a8e89622a72a0)

Kurzfassung in Deutsch

Über seinen Wärmehaushalt ist der Mensch eng mit der atmosphärischen Umwelt verknüpft. Daher kann thermische Belastung mit negativen Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit verbunden sein. Zahlreiche umweltepidemiologische Untersuchungen haben dieses Thema bisher aufgegriffen, um eine Beziehung zwischen thermischer Umwelt und thermisch bedingter Mortalität herzustellen. In keiner dieser Studien wird die thermische Umwelt jedoch konsequent gesundheitsrelevant bewertet. Dazu gehört neben der Verwendung eines thermophysiologisch relevanten Bewertungsverfahrens, welches alle Mechanismen des Wärmeaustauschs des Menschen mit seiner Umgebung berücksichtigt, auch die Einbeziehung der kurzfristigen verhaltensgesteuerten und physiologischen Anpassung des Menschen an die lokalen Witterungsverhältnisse der letzten Wochen.
Durch die physiologische Anpassung (kurzfristige Akklimatisation) ändert sich die Reaktion des menschlichen Körpers auf die thermische Umwelt, weil diese durch eine Effizienzsteigerung des Thermoregulationssystems die effektiv auf ein Individuum wirkende thermische Belastung reduziert. Daneben vermindert die verhaltensgesteuerte kurzfristige Anpassung über die Änderung der getragenen Bekleidung den auf ein Individuum einwirkenden thermischen Stress.
In einem Großteil der bisher durchgeführten biometeorologischen und umweltepidemiologischen Studien machte sich die Tatsache, dass sich die Menschen an die lokalen Witterungsverhältnisse der letzten Wochen anpassen, in von der Region und der Jahreszeit abhängigen unterschiedlich hohen Schwellenwerten der thermischen Bewertungsfunktion für das Mortalitätsminimum bemerkbar. Dabei wurden nur wenige Versuche unternommen, das Bewertungsverfahren unabhängig von Region und Jahreszeit zu machen. Die Anpassungen bezogen sich alle auf die mittleren klimatischen Verhältnisse einer Region und nicht auf die für die kurzfristige Anpassung entscheidenden aktuellen Witterungsbedingungen der vorangegangenen Tage bis Wochen.
Da die kurzfristige Anpassung bei der Bewertung der thermischen Situation bisher unberücksichtigt geblieben ist, wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Methode zur Berechnung von variablen Schwellenwerten für einzelne thermische Belastungsklassen entwickelt. Die neue Methode HeRATE (Health Related Assessment of the Thermal Environment) kombiniert ein physiologisch relevantes Bewertungsverfahren für die thermische Umwelt mit einem konzeptionellen Modell für die kurzfristige Anpassung (bestehend aus kurzfristiger Akklimatisation und verhaltensgesteuerter Anpassung) an die lokale Witterung der letzten vier Wochen. Ziel dieser Vorgehensweise ist es, einen konstanten Schwellenwert mittels eines variablen Anteils zu modifizieren. Das Einbeziehen der kurzfristigen Anpassung hat den Vorteil, dass das Verfahren ohne weitere Veränderungen auf Daten aus unterschiedlichen klimatischen Regionen und zu unterschiedlichen Jahreszeiten angewendet werden kann. Durch die Berücksichtigung des konstanten Anteils hingegen werden nur Situationen berücksichtigt, die gewisse "Mindestanforderungen" für die thermische Belastung erfüllen, was physiologisch begründet ist.
Neben der Entwicklung einer Methode zur gesundheitsrelevanten Bewertung der thermischen Umwelt war es notwendig, ein Verfahren zur Abschätzung der thermisch bedingten Mortalität zu entwickeln, welches auch auf nicht-stationäre Mortalitätszeitreihen unterschiedlicher Längen anwendbar und von der Verfügbarkeit zusätzlicher Informationen wie beispielsweise der Populationsgröße unabhängig ist. Es wurde daher ein Verfahren entwickelt, das auf einer Filterung der Mortalitätsdaten mit einem 365 Tage umfassenden Gaußfilter basiert. Die sich durch die große Filterlänge ergebende Problematik einer zu flachen Amplitude des derart ermittelten Jahresganges wurde über eine Multiplikation der gefilterten Zeitreihe mit einem Restaurationsfaktor ausgeglichen. Dabei wurde der Restaurationsfaktor über eine Minimierung der quadratischen Abweichung der Rohdaten der Mortalität von den Werten der Filterfunktion bestimmt. Der so ermittelte Jahresgang der Sterbefallzahlen diente zur Abschätzung des Erwartungswertes der Mortalität. Um Zeitreihen aus unterschiedlichen Regionen miteinander vergleichen zu können, wurde in den weiterführenden Analysen die prozentuale Abweichung der Mortalität vom Erwartungswert betrachtet (relative Mortalität).
Signifikante Unterschiede in der Sensitivität der Bevölkerung für die einzelnen thermischen Belastungsklassen in allen untersuchten Gebieten zeigen an, dass mit einer sehr hohen Wahrscheinlichkeit die Umwelt gesundheitsrelevant bewertet wird. Würde keine gesundheitsrelevante Bewertung der thermischen Situation erfolgen, so müssten sich die Abweichungen der Mortalität vom Erwartungswert zufällig über alle Belastungsklassen verteilen.
Die Abweichung der Sterbefallzahlen vom Erwartungswert ist um so größer, je stärker der thermische Stress eingestuft wird. Dabei ergibt sich bei der gemeinsamen Betrachtung aller untersuchter Zeitreihen eine Abhängigkeit der Sensitivität der Bevölkerung für eine bestimmte thermische Belastungsstufe von deren Häufigkeit. Da größere Häufigkeiten mit geringeren Sensitivitäten verbunden sind, könnte dieser Zusammenhang ein Hinweis auf langfristige Anpassungsmaßnahmen sein, welche bei der Bewertung der thermischen Umwelt unberücksichtigt bleiben.


Kurzfassung in Englisch

ABSTRACT
Human beings are closely related to the atmospheric environment by the need to balance their heat budget, which involves all the complex conditions of heat exchange between the human body and the thermal environment. Therefore thermal stress can lead to adverse effects for human health. This issue has already been addressed in numerous epidemiological studies, in which the thermal environment has been related to thermal related mortality. However, none of these studies applied a consequent health relevant assessment procedure for the thermal environment. Apart from the use of a thermophysiologically relevant assessment procedure, that includes all mechanisms of heat exchange, a health relevant assessment procedure requires the consideration of short-term physiological and behavioural adaptation to the meteorological conditions of the past few weeks.
Due to the fact that humans adapt physiologically (acclimatisation) to the meteorological situation of the recent past, there is a change in the physiological response to thermal stress. This response reduces the effective heat load or cold stress a human being has to bear by increasing the effectiveness of the thermoregulatory system. Additionally, the thermal load is reduced due to short term behavioural adaptation.
In many of the former studies the fact that humans are adapted and acclimatised to a certain extent to their local climate can be seen in a regional and temporal variability within the thresholds upon which health effects can be found. In the past only few efforts have been made to adapt the thermal assessment procedure to these changing thresholds. However, these procedures were all based on the mean climatic conditions of the previous years and not on the actual thermal conditions of the past few weeks.
Therefore it was necessary to include short-term adaptation to the meteorological conditions of the past few weeks in an assessment procedure in order to conduct a health relevant assessment of the thermal environment. The method that has been developed HeRATE (Health Related Assessment of the Thermal Environment) combines a physiologically relevant assessment procedure of the thermal environment with a conceptual model to describe the short-term adaptation (including short-term acclimatisation and behavioural adaptation) to the actual thermal conditions of the past four weeks. The above described procedure aims at modifying a constant threshold by means of a variable part. Including short-term adaptation means that the method can be applied to data from different locations and at different times of the year without further modification. Based on the constant part only such thermal conditions are classified as heat load or cold stress that fulfil some minimum requirements, which is physiologically significant.
In addition, it was necessary to develop a new procedure for the estimation of thermal related mortality. The requirements were that it could be used even with non stationary mortality data and for time-series of different lengths. Additionally, the application of the method should be independent of the availability of further information such as population data. Therefore a procedure was chosen that is based on a Gaussian smoothing with a filter length of 365 days. Due to the length of the filter function of one year the minima and maxima of this function become too flat. In order to control this fact a restoration factor is introduced. The restoration factor can be used if the oscillation of interest is sinusoidal as is the course of the year. In this study the correction factor has been chosen in a way that the differences between the raw-data and the filter function were minimised. The corrected filter response function is taken as the expected mortality time series. For the analyses the deviation of the mortality rate from the expected mortality in percent was calculated (= relative mortality). This procedure enables the comparison of different mortality datasets with different baseline populations.
Significant differences in the sensitivity of all analysed populations between the different cold stress and heat load categories indicate that the results do not arise by chance. Thus it can be concluded that there is a high probability that with HeRATE the environment is assessed in a health relevant way. If not, the deviations of mortality from the expected values would be stochastically distributed.
Relative mortality is the higher the more severe the thermal situation is categorised. A correlation between the relative mortality of a certain thermal stress category and its relative frequency could be established. As high frequencies are connected with low relative mortality it can be concluded that apart from short-term adaptation also long-term adaptation, which is not included in the assessment procedure, acts as a modifying factor for sensitivity.


SWD-Schlagwörter: Hitzebelastung , Akklimatisation , Thermische Belastung , Klimaänderung , Thermoregulation , Wärmehaushalt , Epidemiologie , Sterblichkeit
Freie Schlagwörter (deutsch): Hitzewellen ,Wärmehaushaltsmodelle , thermisch-bedingte Mortalität
Freie Schlagwörter (englisch): heat waves , heat budget models , thermal related mortality
Institut: Meteorologisches Institut
Fakultät: Fakultät für Forst- und Umweltwissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften, Geologie
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Jendritzky, Gerd (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 20.05.2005
Erstellungsjahr: 2005
Publikationsdatum: 16.06.2005
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