Spatial distribution of health risks associated with PM2.5 in turkey and iran using satellite and ground observations

Abstract

Sanayileşmenin hava kirliliği üzerindeki olumsuz etkisi her geçen gün etkisini göstermektedir. Son yıllarda, hükumetler için sanayileşmenin ve nüfus yoğunluğunun çok yüksek seviyede olduğu şehirlerde, bu konun araştırılması ve sağlık etkilerinin maliyetinin tahmini daha büyük bir önem kazanmıştır. Daha sonrasında bu araştırmaların sonuçları hükumetlerin hava kirliliğini ve hava kirliğinin insan sağlığına olan etkilerini azaltılması için yeni mevzuatlar geliştirmesine ve standart değerlerin azaltılmasına yardımcı olmaktadır. New York, Paris, Londra, Seul gibi şehirleri bu uygulamaların başarılı örnekleri arasında gösterebiliriz.İran ve Türkiye'de neredeyse bir birine eş yaklaşık 80 milyonluk nüfusa sahip ülkelerdir. Genellikle bu tür büyük nüfuslar, enerji üretiminde yüksek bir talep oluşturmmaktadır. Buna en iyi örneği 2017 senesinin kış aylarının bazı günlerde İran'ın doğal gaz tüketiminin Avrupa Birliği ülkelerinin toplam tüketim seviyesine ulaşması olarak gösterebiliriz. Diğer taraftan, Türkiye'de günlük benzin tüketimi 68 milyon litreyken İran için bu sayı günlük 100 milyon litre seviyesinde seyretmektedir. Aynı zamanda, iklim değişikliği her iki ülke için ciddi bir endişe kaynağı olup, bu bölgedeki çöl tozu olaylarının ana nedenleri arasında gösterilmektedir. Dış ortam havasındaki partiküler madde (PM) 2016 yılında 4,1 milyon insanın erken ölümüne sebep olan altıncı yüksek küresel hastalık risk faktörüdür. Bu nedenden partiküler maddelerin insan sağlığı ve çevre üzerindeki etkileri kamu politikalarının geliştirilmesinde kilit rol oynamaktadır. Hava kirliliğinin eğilimini gözlemlemek, analiz etmek ve anlamak için yer ölçüm verilerine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu çalışmada son zamanlarda yayımlanan, Türkiye ve İran için 2016 yılı ülke çapındaki yer ölçüm istasyonlarından elde edilen PM2.5 verilerini kullanılmıştır.Her iki ülkedeki nüfus dağılımının genişliği ve gerekli olan yer ölçüm istasyonu sayısının çok fazla olması nedeniyle, bu çalışmada uzaktan algılama verileri de kullanılmıştır. Uzaktan algılama ile partikül madde konsantrasyonlarının belirlenmesi hala gelişme aşmasındadır. Enstrümanlar partiküler maddeyi doğrudan ölçmek yerine Aerosol Optik Derinliği (AOD) parametresini ölçmektedir. Uygun modeller yardımı ile AOD PM'ye dönüştürülmektedir. Bu çalışmada V4.GL.02 uydu verileri kullanılmıştır. İran'da, PM2.5'nin antropolojik kaynaklarını gizleyebilecek çok sayıda toz olayı olduğu için, toz ve deniz tuzunun çıkarılmış versiyonunu kullanılmıştır. Bununla birlikte, toz ve deniz tuzunun dahil edilmiş versiyonu da her iki ülkedeki toplam PM2.5'i karşılaştırmak için kullanılmıştır.Türkiye'deki yer ölçümlerinin analizi, mevcut 42 PM2.5 istasyonundan 41 istasyonun WHO yönergelerinin üzerinde konsantrasyonlara sahip olduğunu gösterirken, istasyonların 45%'in Avrupa Çevre Ajansının (EPA) standartlarını karşılamadığı gözlemlendi.Edirne Keşan, Sakarya Hendek ve Erzurum Taşhan istasyonlarında yıllık ortalamalar 50 μg/m3'ten fazla olarak WHO yönergelerine göre 5 kat daha fazla PM2.5 konsantrasyonları gözlemlendi. Her iki ülkedeki, Ankara, İstanbul, Tahran, İsfahan, Meşhed gibi yüksek nüfuslu şehirlerin trafik ve iç enerji tüketimi nedeniyle yoğunlaşmış PM2.5 konsantrasyonuna sahip oldukları gözlemlenmiştir. Bununla beraber, Türkiye'nin kuzeydoğusundaki Iğdır yada İran'ın güneydoğusundaki Zabol ve Huzistan eyaletlerinde, nüfus kalabalık olamamasına rağmen yüksek konsantrasyonlar gözlemlendi. Huzistan ve Zabol'daki yüksek PM2.5 profilinin esas nedenin her iki şehirdeki toz olaylarıdır. Ayrıca, İran'ın güneybatısında , çoğunlukla antropolojik PM2.5 emisyonlarının ana sorumlusu olan petrol rafinerilerinin varlığı da bu yüksek emisyon konsantrasyonun nedenleri arasında gösterilebilir.Bu çalışmada, 2016 senesi için İran ve Türkiyede PM2.5 ve PM10 maruziyetinin sağlık etkileri hesaplanmıştır. Bu hesaplar üç metodoloji kullanılarak hesaplanabilir. İlk metodoloji yüzlerce küresel araştırmaya dayanan sistematik gözden geçirme ve meta-analize yönelik maruz kalma-tepki fonksiyonu kullanır. İkinci yöntem olan, AirQ+, WHO tarafından geliştirilen bir yazılım olup, dış saha PM'nin kısa ve uzun vadeli olumsuz sağlık etkilerini tahmin etmek için kullanılmaktadır. AirQ+, yaşam tabloları tekniğini kullanır ve kohort çalışmalarından kaynaklanan risk tahminleri üzerinde durur. Bu tezde kullanılan üçüncü yöntem ise, ABD'de yapılan bir çalışmada konsantrasyon-tepki fonksiyonlarını ve PM2.5 ile ilişkili ölüm oranını hesaplamak için maruz kalma-doz fonksiyonlarını kullanılmaktır.PM2.5 için yer ölçümleri ve uydu verileri arasındaki korelasyon araştırıldı. Genel olarak, bu çalışmada kullanılan uydu verilerinde toz ve deniz tuzu dahil edilmemesi ve yer istasyonların sadece bir noktada ölçüm yapması sebebiyle korelasyonun düşük olduğu gözlemlendi. Bu sebepten, toz ve deniz tuzu içeren PM2.5 verileri ile kıyaslandığında korelasyonlarda iyileşme gözlendi.Bu çalışmada, Avrupa Komisyonu tarafından hazırlanmış çok yüksek çözünürlüklü bir nüfus veri seti kullanıldı. Bu veri seti çözünürlüğü 1000×1000 m'ye düşürülerek PM uydu verileri ile uyumlu bir çözünülürlüğe getirildi. PM2.5 ile ilişkilendirilebilir ölüm oranını tahmin etmek için, İran ve Türkiye için belirli nedenlere bağlı ölüm oranlarını belirtilerek üç farklı neden hesaplanmıştır. Öncelikle, üç farklı neden için taban seviye ölüm oranı hesaplanmıştır. (2016 yılında Türkiye ve İran için tüm nedenler, iskemik kalp hastalığı ve akciğer kanseri). 2009 yılında ABD'de en çok alıntı yapılan çalışmalardan elde edilen her bir ölüm nedenin, üst ve alt sınırları için konsantrasyon-tepki faktörü belirlendi. Uydudan ve yer ölçümleri, nüfus, konsantrasyon-tepki faktörü ve taban seviye ölüm oranı gibi tüm veriler elde edilerek, çoğunlukla doz-cevap ve konsantrasyon-tepki tahminlerinde kullanılan fonksiyon için girdi olarak kullanılmıştır. Hesaplamalar Excel ve Google Earth Pro'nun yanında ArcGIS mekansal analiz araçlarıyla yapıldı.PM2.5'e atfedilen ölüm oranı her iki bölge ve her iki ülke için hesaplandı. 2016 senesinde Türkiye'de PM2.5 kaynaklı en yüksek ölüm oranlarına sahip illerin sıralaması 6297 ölümle İstanbul, 3636 ölümle Ankara, 2254 ölümle İzmir, 1930 ölümle Bursa, 1131 ölümle Mersin ve 1116 ölümle Konya şeklinde belirlendi. Aynı yılda İran'da ise PM2.5 kaynaklı en yüksek ölüm oranlarına sahip illerin sıralaması 6724 ölümle Tahran, 2587 ölümle Doğu Azerbaycan, 2456 ölümle Alborz, 2325 ölümle Huzestan, 2322 ölümle Mazandaran ve 2250 ölümle Gilan şeklinde belirlendi. Sonuç olarak, 2016 yılında antropolojik kaynaklı PM2.5 'dan dolayı Türkiye'de 36967 kişi, İran'da ise 34491 erken ölüm hesaplandı. Buna rağmen, bu sayıların zemin ölçümünden elde edilen PM2.5 konsantrasyonu verileri dahil edilince önemli şekilde arttığı gözlemlenmiştir. PM2.5' için zemin gözlemlerine de dayanan sonuçlar dahil edildiğinde, Türkiye'de İstanbul'da 10529 ölüm, Ankara'da 4094 ölüm, Bursa'da 2570 ölüm ve Erzurum'da 1233 ölüm olayı olmuştur. İran için ise 12383 ölümle Tahran, 5376 ile Razavi Horasan, 4990 ölümle Huzestan ve 4601 ölümle İsfahan en riskli şehirler olarak gösterile bilir.Bu tez çalışmasında ölüm oranına katkıda bulunan bir diğer faktör ise iskemik kalp hastalığıydı. İskemik kalp hastalığı için kullanılan spesifik konsantrasyon-tepki faktörlerini ve onun alt ve üst sınır ölüm oranlarının tahmini, yer ölçüm istasyonlarından ve uydudan alınan PM2.5 konsantrasyon verileri ile belirlendi. Uydudan alınan verilere göre, PM2.5 konsantrasyonun neden olduğu iskemik kap hastalıklıları sonucunda Türkiye'de 5200 ölümle İstanbul, 2893 ile Ankara, 2893 ölümle İzmir en çok risk altında olan illerdir. İran'da iskemik kalp hastalığının neden olduğu toplam 5541 ölüm olayından, 2056 ölüm Doğu Azerbaycan'da, 2003 ölüm ise Alborz'da gözlenmiştir. Ölçülen PM2.5 seviyesinde olduğu gibi, toz ve deniz tuzu da dahil olmak üzere, konsantrasyonlar daha yüksektir ve bu nedenle tahmini ölüm oranı artmıştır. Türkiye'de 14165 ölümle İstanbul, 5416 ölümle Ankara, 3433 ölümle Bursa ve 1257 ölüm ile Erzurum en çok ölüm olayının gözlemlendiği illerdir. İran'da 12383 ölümle Tahran, 5376 ölümle Razavi Horasan ve 1483 ölümle Huzestan en riskli il olarak tahmin ediliyor. Toplamda, İran'da PM2.5'in sebep olduğu iskemik kalp hastalıkları nedeniyle 2817 ölüm olayı uydudan türetilen PM2.5 verileri ile hesaplanmıştır. Türkiye'de toplam 30240 ölüm, PM2.5'e atfedilen iskemik kalp hastalığından kaynaklanmaktadır. Yer ölçümleri kullanılarak, Türkiye'de tahmin edilen 25525 ölüm ve İran'da 3866 ölüm hesaplanmıştır. Yer ölçümlerine dayalı hesaplama, sadece 2016 yılında PM2.5'in ölçüldüğü illere katkıda bulunmaktadır.İncelenen üçüncü sağlık sorunu akciğer kanseridir. Dünya Sağlık Örgütü tarafından rapor edilen ölüm oranlarına göre Türkiye'de İran'la kıyaslamada çok yüksek ölüm oranı gözlemlenmiştir. Bu durum başlangıç ölüm oranını ve iki ülkenin farklılık tahminini etkilemiştir. PM2.5'den kaynaklanan akciğer kanserinden dolayı Türkiye'de toplam 5591 ölüm ve İran'da 669 ölüm, uydudan alınan PM2.5 verileri kullanılarak tahmin edilmiştir. Buna rağmen, zemin ölçümleri kullanıldıkta ise toplam ölüm sayısı Türkiye'de 5883 İran'da ise 776 seviyesine kadar değişmektedir.Üçüncü metotla hesaplanılan ölüm oranı State of Global Air tarafından raporlanan verilerle benzerdir. Buna rağmen, Türkiye için hesaplanan sonuçlar küresel sonuçlardan daha yüksektir.Sonuç olarak, her iki ülke için risk dağıtım haritaları hazırlandı. Haritalar Türkiye için Aksaray, Ankara, Konya ve Kırşehir'in yüksek risk altında olduğunu, ve İzmir, Iğdır, Mardin, Batman ve Bursa'nın da bunlara yakın değer aldığını gösterdi. İran'da, kuzeybatıdaki Batı Azerbaycan'dan, ülkenin kuzey-merkezinde Tahran'a kadar, çok yüksek riskli bölgeler gözlemlendi. İran'ın güneyinde, Huzeitan eyaletinin yüksek risk değerine sahip olduğu gözlenmiştir.

Industrialization, has been increasing air pollution. In recent decades, the most industrialized and populated cities began to investigate this issue and estimating the cost of health effects for the governments. These researches reasoned the goverments to make new legislation and standards which eventually reduced the air pollution and health effects of it afterward. New York, Paris, London, Seoul and Istanbul are successful examples of these practices. Iran and Turkey, have almost the same population of 80 million individuals. Such large populations make a high demand in energy production, as some days in winter of 2017, Iran natural gas consumption reached the EU consumption. On the other hand, gasoline consumption in Iran is around 100 ML/d and in Turkey is 68ML/d. Meanwhile, climate change is a serious concern in both countries, which is one of the reasons for dust events in the region.Ambient PM is the sixth Global Burdon of Disease risk factor responsible for premature death of 4.1M individuals in 2016. Studies on PM health effects, playing the key role in policymaking. To observe and analyze the air pollution trend, ground measurement data is needed. This study, used the very recently published Iran nationwide ground measurements from the years 2015 to 2017.Since the population in both countries are high and spatially distributed, the number of ground measurement stations are not enough. Thus, spatially more complete remote sensing data was also used in this study. Although PM remote sensing, is still under developments since the instruments only measure AOD and not PM directly. To convert AOD to PM, researchers mostly use GEOS (Goddard Earth Observing System) chemical transport model which first used in 2011 by. For satellite retrievals, dataset V4.GL.02 is chosen in this thesis. This product obtained from three different instruments and with Geos-Chem transport model converted to PM2.5. The product has dust and sea-salt removed version which implied to have a better compare with ground measurements, as there are a lot of sand events happening in the region especially in Iran which might mask the anthropogenic sources of PM2.5. In addition, dust and sea-salt included version was also used to compare total PM2.5 concentrations in both countries.Initial ground data analysis of Turkey showed that out of 42 available PM2.5 stations, 41 stations have reported concentrations above WHO guideline and 45% of stations stand out of European Environment Agency's standard. Edirne Kesan,Sakarya Hendek and Erzurum Tashan are the PM2.5 stations with annual averages more than 50 mg/m3 all the time, which is 5 times higher than WHO guidelines.It was observed that populated cities in both countries such as Ankara, Istanbul, Tehran, Isfahan, Mashhad are experiencing high concentrations due to traffic and domestic energy consumption. Although in cities like Igdir in northeast Turkey, Zabol in southeast Iran or Khuzestan province which are having high concentrations without being populated. The reason for a high PM2.5 profile in Khuzestan province is dust events, as well as in Zabol. Also in southwest Iran is the oil refineries zone of the country, which is responsible for anthropogenic PM2.5 emissions mostly.To calculate the exposure and health effects of PM2.5 and PM10, three methodologies exist. The first methodology uses systematic review and meta-analysis oriented exposure-response function, which is based on hundreds of global researches and oriented by meta-analysis. In the second method, AirQ+, a software from WHO can be used to estimate the short-term and long-term adverse health effects of ambient PM. AirQ+ uses life-tables technique and stand on risk estimates oriented from cohort studies. Third method which is mainly used in this thesis is using concentration-response functions from a study in the US and exposure-dose functions to calculate mortality associated with PM2.5.The correlation between PM2.5 ground measurements and satellite retrievals was investigated. In general, the correlation was low due to the version of the satellite used for this study which is dust and sea-salt removed, and also the fact that ground stations measure one point and that value is considered as the region/province's average concentration. Therefore when all compositions PM2.5 satellite product used, only for this purpose, the correlations improved.In this study, a high resolution population dataset from European Commission has been used. In order to input this dataset in the function, the resolution reduced to 1000m×1000m to match the PM2.5 satellite product resolution.To estimate the mortality attributable with PM2.5, three different causes has been calculated by implying the cause-specific mortality rates for Iran and Turkey from WHO. Firstly, baseline mortality rate for three different causes as: all causes, ischemic heart disease, and lung cancer for Turkey and Iran in 2016 has been calculated. The concentration-response factor for each mortality cause and its upper and lower boundaries, separately obtained from one of the most cited studies in United States. All the datasets such as satellite derived and ground based observations, population, concentration-response factor and baseline mortality rate has been used as inputs for the function which is most commonly used in dose-response and concentration-response estimations. The calculations were performed with ArcGIS spatial analyst tools beside Excel and Google Earth Pro. The mortality attributable with PM2.5, has been calculated based on both ground observations and satellite-derived separately, on district and province level for both countries. In result of satellite-derived based calculations, Istanbul with 6297 deaths, Ankara with 3636 deaths, Izmir with 2254 deaths, Bursa with 1930 deaths, Mersin with 1131 deaths, and Konya with 1116 deaths caused by all causes and attributed to PM2.5 in the year 2016. These provinces had the highest mortalities in Turkey. In Iran, Tehran with 6724 deaths, East Azerbaijan with 2587 deaths, Alborz with 2456 deaths, Khuzestan with 2325 deaths, Mazandaran with 2322 deaths and Gilan with 2250 deaths caused by all causes and attributed to PM2.5 in the year 2016. These provinces were under the most in Iran. To sum up, 36967 deaths attributable with anthropogenic PM2.5 was estimated for Turkey, and 34491 deaths attributable with anthropogenic PM2.5 was estimated for Iran in 2016. However, these numbers increase significantly by implying the ground observation PM2.5 concentrations. In Turkey, the results based on ground observations were as 10529 deaths in Istanbul, 4094 deaths in Ankara, 2570 deaths in Bursa and 1233 deaths in Erzurum by all causes attributable with PM2.5. In Iran though, Tehran with 12383 deaths, Razavi Khorasan with 5376, Khuzestan with 4990 deaths, and Isfahan with 4 601 deaths are the most at risk provinces of Iran.The other studied mortality cause in this thesis, was ischemic heart diseases. By using the specific concentration-response factors used for ischemic heart disease, and its upper and lower boundaries, mortalities estimated separately based on satellite derived PM2.5 and ground observations. By using satellite derived PM2.5 in Turkey, Istanbul with 5200 deaths, Ankara with 2893, Izmir with 2893 deaths caused by ischemic heart diseases attributable with PM2.5 are the most at risk provinces. In Iran, 5541 deaths, East Azerbaijan 2056 deaths, and in Alborz 2003 deaths have been estimated caused by ischemic heart diseases. As in ground measured PM2.5, dust and sea-salt is included, concentrations are higher and thus, estimated mortalities increased. In Turkey, Istanbul with 14165 deaths, Ankara with 5416 deaths, Bursa with 3433 deaths, and Erzurum with 1257 deaths having the most mortalities estimated. In Iran, Tehran with 12383 deaths, Razavi Khorasan with 5376 deaths, and Khuzestan with 1483 deaths estimated as the most at risk provinces. In total, 2817 deaths in Iran estimated with satellite-derived PM2.5, caused by ischemic heart diseases attributable with PM2.5. In Turkey, 30240 deaths in total have estimated caused by ischemic heart disease attributable with PM2.5. By using ground observations, 25525 deaths estimated in Turkey and 3866 deaths in Iran. The ground observation based calculation only contributes to the provinces which PM2.5 had been measured in the year 2016.The third investigated cause, was lung cancer. The reported mortalities by WHO showing higher deaths in Turkey than Iran. Therefore, it affected the baseline mortality rate and estimation's difference of two countries. In Turkey, 5591 deaths in total and 669 deaths in Iran estimated by using satellite-derived PM2.5, caused by lung cancer and attributed to PM2.5. Although, by using ground measurements total mortality in Turkey changes to 5883 deaths and 776 deaths in Iran.The calculated results, were relevant to what was reported by State of Global Air. However, results in comparison with the report, results are higher than global reports for Turkey. Eventually, the risk distribution maps for both countries were produced. Maps were showing central Turkey (Aksaray, Ankara, Konya, Kirsehir) are at high risk, as well as Izmir, Igdir, Mardin, Batman, and Bursa. In Iran, from West Azerbaijan in the northwest, to Tehran in north-center of the country, very high-risk estimations were observed. In south Iran, Khuzestan province observed with high-risk estimations.