short term effects of air pollution on health. the association between daily air pollution levels...
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Short term effects of air pollution on health.
The association between daily air pollution levels and
mortality from respiratory and cardio-vascular diseases.
Rony BraunsteinDepartment of Epidemiology and Preventive Medicine
Sackler School of MedicineTel-Aviv University
Under The Supervision Of:
Dr. Ayana GorenDepartment of Epidemiology and Preventive Medicine
Sackler School of Medicine
Prof. David SteinbergDepartment of Statistics and Operation Research
Schreiber School of Mathematical Sciences
VERY IMPORTANT NOTICE !!!
This Power Point Presentation is not yet ready.
Please consider it as an unfinished work.
I hope it will be finished ASAP.
Air Pollution and Health 3
Air and Air - Pollution
Since air pollution seems to be constantly increasing both in the industrialized and in the
developing parts of the world, many studies have been conducted throughout the world to
examine its characteristics and its effects on human health. There are several known reasons
for the increase in air pollution (see e.g. Stern, 1968), among which are the increasing
amount of cars, factories and power stations, which emit various pollutants typical of urban
and industrial sources.
Air is essential for the survival of human beings as well as other populations. The importance
of air can be illustrated by the fact that the average adult requires about 15 kilograms of air
per day compared with less than 1.5 kilograms of food and about 2 kilograms of water
(source: Goldsmith, 1968). Compared with other necessities of life, obligatory continuous
consumption is a unique property of air. The average adult can live 5 weeks without food, 5
days without water and only a few minutes without air. Air is essential for life and the
absence of clean air can lead to severe health problems and even to death.
Air Pollution and Health 4
Topics
1. Air Pollution - An Introduction
1.1 Definition
1.2 History
1.3 Types
1.4 Effects
1.5 Sources
2. The Current Research - Methods and Results
2.1 Objectives
2.2 Time Frame, Region and Population
2.3 Data Bases
24 Theoretical Model and Practical Fitting
2.5 Results: Conclusions and Discussion
2.6 The Delayed Effect
2.7 A Comparative Study: 80’s vs. 90’s.
2.8 Estimating the Count of Deaths Related to Air Pollution
Air Pollution and Health 5
Air Pollution - DefinitionAir Pollution - Definition
Normal air consists of a mixture of several gases (see
e.g. Tebbens, 1968).
The air will be considered as polluted whenever:
(i) Other gases and or particle matters will be present
OR
(ii) When the balance of the normal air mixture will be
changed.
The concentrations of the various gases are
represented in the table in parts per million (PPM).
Concentration Of Gases Comprising Dry Air
Gas Concentration (PPM)Nitrogen 780900Oxygen 209400Argon 9300Carbon dioxide 315Neon 18Helium 5.2Methane 1.0-1.2Krypton 1.0Nitrous oxide 0.5Hydrogen 0.5Xenon 0.08Nitrogen dioxide 0.02Ozone 0.01-0.04
Source: Kuiper 1952.
Air Pollution and Health 6
HISTORY OF AIR POLLUTION AND HEALTH STUDIESHISTORY OF AIR POLLUTION AND HEALTH STUDIES
1. Acute Effects
Whenever a major air pollution event occurred, it was noticed that the population tended to suffer more
frequently and more severely from respiratory as well as from cardio vascular diseases.
Example: The London episode of air pollution (December 1952). A tremendous increase in mortality
and morbidity from respiratory and cardio vascular diseases (3500 - 4000 excess deaths).
2. Long Term Effects
Later on, the research was focused on the long term and cumulative effects of air pollution on health.
3. Short Term Effects
New research directions deal with the short-term effects of changes in air pollution concentrations, not
necessarily acute ones, on health. The research of short-term effects of air pollution on health is
considered to be most important nowadays and epidemiologists are trying to deal with this question in
many places in the developed parts of the world.
Air Pollution and Health 7
Types of Pollutants
1. Sulfur compounds. Combustion of sulfur containing fuels contributes large amounts of SO2 and some SO3. Many industrial processes generate H2S.
2. Nitrogen compounds. NO and NO2 are produced in some industrial operations and in automobile engines. The measurements of NO and NO2 are combined together and called NOX.
3. Carbon compounds. Carbon dioxide and carbon monoxide arise in huge amounts from the combustion of carbonaceous fuels. In large cities, most of the daily production of CO and CO2 results from incomplete utilization of carbon in gasoline in automobile engines, industrial machineries and power plants.
4. Photochemical compounds. The photochemical compounds are defined as “Secondary Pollutants”. The process of creating photochemical compounds needs bright sunlight in which nitrogen oxides, hydrocarbons and oxygen interact chemically to produce oxidants like ozone and peroxyacetyl nitrate (PAN).
5. Halogen compounds. Some industrial and metallurgical processes produce inorganic halogen compounds such as HF and HCl.
6. Organic compounds. The organic compounds are emitted principally as vapors and the less volatile compounds may occur as liquid droplets or solid particles. Their sources are: (i) Household products including paints, paint strippers and other solvents, (ii) wood preservatives, (iii) aerosol sprays and air fresheners, (iv) insect repellents and disinfectants, (v) stored fuels and automotive products and (vi) dry-cleaned clothing.
7. Fine solids and coarse particles. The finer aerosols include man-made particles of metal, carbon, tar, oxides, nitrates, sulfates, chlorides, fluorides and silicates on one side and natural particles such as dust, resin, pollen, fungi and bacteria on the other side. All those fine solids are less than 10 in diameter.
8. Radioactive compounds. Atmospheric radioactivity originates from natural as well as artificial sources. The natural radioactivity results from the presence of radionuclides, which originate from radioactive minerals or from the interaction of cosmic radiations with the gases of the atmosphere. Radon (Rn) is an example for a natural radioactivity source. The man-made radioactivity is a by-product of the developed nuclear activity in the last fifty years.
Air Pollution and Health 8
Air Pollution Effects
1. Visibility reduction: The effect of air pollution on visibility is currently the most easily observed. The effect of reduction in visibility is produced by the scattering of light from the surface of airborne particles.
2. Material damage: Air pollution causes damage to certain materials. Direct damage is caused to structural metals, surface coatings, fabrics and other materials of commerce. The destruction is related to many types of pollutants.
3. Agricultural damage: A large number of food, forage and ornamental crops have been shown to be damaged by air pollution and in particular by halogen compounds such as HF and HCl. Photochemical compounds, sulfur compounds and nitrogen compounds also contribute to agricultural damage.
4. Psychological effects: Fear is a recognizable element in public reactions to air pollution and the psychological aspects of the phenomenon cannot be ignored. It is possible that psychosomatic illnesses are related to air pollution events.
5. Physiological and health effects: There is a lot of evidence that air pollution can be destructive to human health and can even result in death. Air pollution affects human health by causing respiratory diseases, cardio-vascular diseases, lung cancer and other diseases.
Air Pollution and Health 9
Health Effects
1. Acute sickness or death.
2. Insidious or chronic disease, shortening of life or impairment of growth.
3. Alteration of important physiological functions, such as ventilation of the lung transport of oxygen
by hemoglobin or various functions of the nervous system.
4. Unpleasant odor, impairment of visibility or other effects sufficient to lead individuals to change
residence or place of employment.
5. Air pollution is known to be a causal factor in chronic pulmonary diseases like lung cancer,
bronchitis, emphysema, and asthma.
6. Aggravation of existing cardiovascular disease.
7. Eye and respiratory tract irritation, headache, dizziness, visual disorders, and memory impairment
are among the immediate symptoms that people have experienced soon after exposure to some
organic compounds.
Air Pollution and Health 10
Air Pollution Sources
1. Natural Sources
1.1 Eruptions of volcanoes pollute the air with dust and ash.
1.2 Dust storms can fill the air with particles.
1.3 Forest fires create black smoke and emit noxious gases.
1.4 Radioactive minerals and cosmic radiations are the causes for atmospheric radioactivity.
2. Artificial Sources
2.1 Energy sources like wood and coal emitting black smoke and produce noxious gases.
2.2 Extensive use of petroleum in industry and transportation.
2.3 Industrial processes produce pollutants as side effects of their industrial process.
2.4 Nuclear power stations and nuclear experiments (and accidents) contribute to radioactive pollution.
Air Pollution and Health 11
APHEA2 - 32 European Cities (1996 – 2001)Air Pollution and Health a European Approach
B. Kriz, M. Celko, J. Danova (Prague, Czech Republic); F. Kotesovec, J. Skorkovski (Teplice, Czech Republic); J. Pekkanen, P. Tittanen (Finland); S. Medina, A. Le Tertre, P. Quenel, L. Pascale, A. Boumghar (Paris, France); D. Zmirou, F. Balducci (Grenoble, France); C. Spix, A. Zanobetti, H.E. Wichmann (Germany); K.Katsouyanni, G. Touloumi, E. Samoli, A. Gryparis, Y. Monopolis, E. Aga, D. Panagiotakos (Greece, Coordinating center); A. Paldy, J. Bobvos, A. Vamos, G. Nador, I. Vincze, P. Rudnai, A. Pinter (Hungary); Clancy, P. Goodman
(Ireland); A. Goren, R. Braunstein (Israel); MA. Vigotti, G. Rossi, E. Cadum, G. Costa, L. Albano, D. Mirabelli, P. Natale, L. Bisanti, A. Bellini, M. Baccini, A. Biggeri, P. Michelozzi, F. Forastiere (Italy); J. Schouten, J. Vonk (The Netherlands); B. Wojtyniak, D. Rabczenko, K. Szafraniek (Poland); E. Niciu, V. Frunza, V. Bunda, (Romania); M. Macarol-Hitti, P. Otorepec (Slovenia); J. Sunyer, M. Saez, F. Ballester, S. Perez-Hoyos, E. Alonso, K. Kambra, A. Arangues, A. Gandarillas (Spain); B. Forsberg, B. Segerstedt, (Sweden); C. Schindler (Switzerland); Z. Dortbudak (Turkey); HR Anderson, R. Atkinson, J. Ayres (U.K.); .
K. Katsouyanni (Greece), J. Schwartz (USA)
Air Pollution and Health 12
Research Objectives
General Objective:The general aim of this research is to examine the short-term effects of air
pollution on mortality from respiratory and cardio-vascular diseases.
The first objective is to fit a Mathematical/Statistical model to the data set in order to be able to define
and measure the short-term effects caused by various air-pollutants on mortality from several related
diseases.
The second objective is to examine the delayed effect of air pollution on mortality from cardio
vascular and respiratory diseases.
The third objective is to conduct a comparative study on air-pollution in the Tel-Aviv metropolis area
over time. In this study air-pollution concentrations in the early 1980’s are compared to those in the early
1990’s.
Air Pollution and Health 13
Study Design
. In this study the individual sample unit is a single day for which we had:
(i) the count of deaths from the relevant diseases
(ii) the exposure levels of air pollution
(iii) the measurements of several confounding variables.
This study was based on data sets that were collected in an earlier stage.
The design of the research was a historical prospective cohort since:
(i) we used data that were already collected in the past
(ii) we examined the count of deaths (the outcome) while levels of air pollution (the
exposure) were given.
Air Pollution and Health 14
THE RESEARCH TIME FRAME
1/1/1991 – 31/12/1996
Six Years
2192 Days
THE RESEARCH AREA
Metropolitan Tel-Aviv
THE RESEARCH POPULATION
Includes all the people living in the wider Tel-Aviv Area.
No limitations regarding age or sex or any other condition.
Population Size in the Tel-Aviv Area (In Thousands)
YEAR COUNT PCT of Change1991 1164.1 0.00%1992 1175.4 0.97%1993 1173.9 0.84%1994 1174.5 0.89%1995 1177.5 1.15%1996 1177.2 1.12%
Air Pollution and Health 15
Monitoring Stations in Tel-Aviv 1991-1996Stations codes as defined by the IEC
STATION 1991 1992 1993 1994 1995 1996
AN 1 1 1,2,3 1,2,3 1,2,3 1,2,3
BN 1 1 1 1 1 1
BT 1 1 1 1 1 1
MS 1 1 1 1,2,3 1,2,3 1,2,3
SB 1 1 1 1 1 1
SL , , ,4 1, , ,4 1, , ,4 1, , ,4
SN 1 1
TB 1 1 1 1
TM 1,2,3 1,2,3 1,2,3 1,2,3,4 1,2,3,4
YD 1 1 1 1 1 1
TOTAL 7,0,0,0 8,1,1,0 8,2,2,1 9,2,2,1 9,3,3,2 9,3,3,2
Table Key: 1 - SO2 , 2 - NOX , 3 - O3 , 4 - PM10
Source: Israeli Electrical Company
Air Pollution and Health 16
The Tel-Aviv Metropolis Map
IEC Monitoring Stations Network
1991-1996
Air Pollution and Health 17
THE RESEARCH VARIABLES
1. Dependent Variables
1.1 Daily Count of Deaths from Cardio-Vascular Diseases ( 11.5 cases )
1.2 Daily Count of Deaths from Respiratory Diseases ( 1.5 cases )2. Independent Variables
2.1 Daily Average of SO2 ( 22.18 g/m3 )
2.2 Daily Average of NOX ( 139.87 g/m3 )
2.3 Daily Average of O3 ( 36.67 g/m3 )
2.4 Daily Average of PM10 ( 50.21 g/m3 )3. Confounding Variables
3.1 Daily Amount of Rain ( 14.69 mm )
3.2 Daily Relative Humidity ( 65.96 % )
3.3 Daily Average Temperature ( 20.38 Centigrade )
3.4 Day of the Week
3.5 Holidays
3.6 Sequence Date – Time
Air Pollution and Health 18
Data Bases
1. The mortality data file: The source for this file was the Department of information and
computation in the Ministry of Health. This file is based on death certificates, which are coded in a data file
and are kept in the Ministry of Health data base. Each record in the mortality data file contains the daily
count of deaths from respiratory and cardio vascular diseases as defined by the ICD9.
2. The air pollution data file: The source for the air pollution data file is the Israeli Electrical
Company (IEC). The IEC has a network of monitoring stations in Tel-Aviv where the pollutants SO2 , NOX ,
O3 and PM10 are measured every day. Each record in the air pollution data file contains the daily average
concentration for each one of the pollutants.
3. The meteorological data file: The source for the meteorological data file are the
Meteorological Services. The meteorological services have a meteorological station in Tel-Aviv in which
several meteorological factors such as temperature, amount of rain, relative humidity and cloudiness are
measured daily. Each record in the meteorological data file contains the daily meteorological measurements.
Air Pollution and Health 19
Poisson Regression Model
Time Series Model (not AR)
Generalized Additive Model
WHERE:
C1…Cc - are the confoundersSi - is a smooth function (loess) for the i’th confounderX1…XK - are the pollutantsgj - is an appropriate transformation for the j’th pollutant
c
iii
K
jjjj CSXgYLog
110 )()()ˆ(
jeRR j
Steps:
1. Adjusting the confounding effects
2. Adding the explanatory variables
FITTING THE MODEL
Air Pollution and Health 20
0 10 20 30
-0.0
4-0
.02
0.00
0.02
0.04
Lag
Par
tial A
CF
-2 0 2
-4-2
02
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Quantiles of Standard Normal
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0 500 1000 1500 2000
810
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Time: 1/1/91 - 31/12/96
Fitt
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-4-2
02
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Time: 1/1/91 - 31/12/96
Res
idua
ls
Cardio Vascular Mortality
Model Fitting
and the Residuals
Cardio Vascular Mortality
Smooth Functions (Loess)
for the confounding effects
Base Model Fitting
seqdate
lo(s
eqda
te,
0.1)
0 500 1000 1500 2000
-0.2
0.0
dow
as.f
acto
r(do
w)
1 2 3 4 5 6 7
-0.0
20.
00.
02
holidy
as.f
acto
r(ho
lidy)
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
-0.0
040.
0
rain
lo(r
ain,
0.7
)
0 20 40 60 80
-0.0
50.
05
relhumid
lo(r
elhu
mid
, 0.
7)
20 40 60 80
-0.0
50.
050.
15
tempavr
lo(t
empa
vr,
0.5)
10 15 20 25 30
-0.1
0.1
0.3
AIC = 2301
Quasi-likelihood model. The estimated dispersion parameter = 1.09
c
iii CSYLog
10 )()ˆ(
Air Pollution and Health 21
Results (Cardio Vascular Mortality)
Cardio Vascular Mortality
Models Comparison Using AIC
Linear Non
Linear
Log(X)
SO2 2476.4 2480.6 2476.2
NOX 2046.8 2051.1 2047.1
O3 2045.8 2045.6 2045.2
PM10 1629.9 1631.5 1632.7
Cardio Vascular Mortality
Single Pollutant Model – Linear and non-Linear Terms
Linear Term Log X Non-Linear Term
RR Pvalue RR* Pvalue Smooth Pvalue
SO2 1.00138 0.0119 1.04236 0.0062 Loess ( 65% ) 0.3437
NOX 1.00016 0.0326 1.02587 0.0448 Loess ( 70% ) 0.8968
O3 0.99851 0.0031 0.94579 0.0008 Loess ( 60% ) 0.1296
PM10 1.00097 0.0019 1.03726 0.0276 Loess ( 75% ) 0.0995
20 40 60 80 100
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
SO2 Concentrations
RR
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||| |||||||||||||||||||||||||||||||| |||| ||||| ||||| |||||||||||| | |||||||| ||| ||| || || | | | || | | | |
0 200 400 600
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
NOx Concentrations
RR
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||| ||| ||||||||||||| | || |||| | |||| | || | | ||||| | | | | ||| || | | ||
20 40 60 80 100
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
O3 Concentrations
RR
|| |||||| ||| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||| |||||||||||||||||||||||||||| || |||||| |||| || ||| || ||| || ||| || || | | |
0 50 100 150 200
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
PM10 Concentrations
RR
||||||||
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||| ||||||||| |||| || ||||| || || |||| | | | | || | || | | | | | || | | | | | |
Cardio Vascular MortalityRR of the Four Pollutants as Non-Linear Terms
Cardio Vascular Mortality
RR and P-values for the Combined Model
All Linear Log Transform
RR Pv RR Pv
SO2 0.999463 0.6956 *0.971760 0.3757
NOX 1.000067 0.7141 1.000053 0.7264
O3 0.998581 0.0450 *0.941206 0.0168
PM10 1.000899 0.0071 1.000924 0.0058
ALL 2 test 0.2816 2 test 0.1129
Air Pollution and Health 22
Results (Respiratory Mortality)
Respiratory Mortality
Single Pollutant Model – Linear and non-Linear Terms
Linear Term Log X Non-Linear Term
RR Pvalue RR* Pvalue Smooth Pvalue
SO2 1.00263 0.0639 1.07842 0.0605 Loess ( 70% ) 0.3299
NOX 1.00039 0.0566 1.06662 0.0711 Loess ( 70% ) 0.2466
O3 0.99768 0.0883 0.91594 0.0471 Loess ( 65% ) 0.7616
PM10 0.99933 0.4587 1.00672 0.8881 Loess ( 75% ) 0.0383
Respiratory Mortality
Models Comparison Using AIC
Linear NonLinear
Log(X)
SO2 2587.6 2590.4 2587.9
NOX 2151.2 2152.3 2151.6
O3 2152.7 2157.0 2152.8
PM10 1733.8 1730.5 1735.7
20 40 60 80 100
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
SO2 Concentrations
RR
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||| |||||||||||||||||||||||||||||||| |||| ||||| ||||| |||||||||||| | |||||||| ||| ||| || || | | | || | | | |
0 200 400 600
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
NOx Concentrations
RR
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||| ||| ||||||||||||| | || |||| | |||| | || | | ||||| | | | | ||| || | | ||
20 40 60 80 100
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
O3 Concentrations
RR
|| |||||| ||| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||| |||||||||||||||||||||||||||| || |||||| |||| || ||| || ||| || ||| || || | | |
0 50 100 150 200
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
PM10 Concentrations
RR
||||||||
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||| ||||||||| |||| || ||||| || || |||| | | | | || | || | | | | | || | | | | | |
Respiratory MortalityRR of the Four Pollutants as Non-Linear Terms
Respiratory Mortality
RR and P-values for the Combined Model
All Linear PM10 Non-Linear
RR Pvalue RR Pvalue
SO2 1.005360 0.1432 1.0050043 0.1716
NOX 1.000133 0.7907 1.0001496 0.7655
O3 0.999815 0.9257 1.0004064 0.8373
PM10 0.998536 0.1464 * 0.0227
ALL 2 test 0.1334 2 test 0.0361
Air Pollution and Health 23
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RR for Multiple-Pollutant Models
Male Mort. Female Mort. Diff
RR Pvalue RR Pvalue Pv
SO2 1.000052 0.9782 0.998901 0.5757 0.66
NOX 0.999970 0.9071 1.000161 0.5372 0.60
O3 0.998690 0.1832 0.998513 0.1436 0.90
PM10 1.000708 0.1320 1.001070 0.0239 0.58
ALL 2 test 0.8450 2 test 0.2044
RR for Multiple-Pollutant Models
Male Mort. Female Mort. Diff
RR Pvalue RR Pvalue Pv
SO2 1.005801 0.2474 1.005128 0.3189 0.92
NOX 1.000356 0.6002 0.999845 0.8266 0.90
O3 1.002548 0.3407 0.997139 0.3117 0.16
PM10 0.998751 0.3556 0.998225 0.2199 0.78
ALL 2 test 0.2673 2 test 0.5530
RR for Multiple-Pollutant Models
Summer Mort. Winter Mort. Diff
RR Pvalue RR Pvalue Pv
SO2 0.998506 0.7499 0.999795 0.9113 NS
NOX 0.999705 0.7156 0.999979 0.9322 NS
O3 0.999755 0.1232 0.999507 0.7798 NS
PM10 1.001362 0.1484 0.999248 0.1309 NS
ALL 2 test 0.5019 2 test 0.8997
RR for Multiple-Pollutant Models
Summer Mort. Winter Mort. Diff
RR Pvalue RR Pvalue Pv
SO2 1.004966 0.7218 1.005872 0.2331 0.94
NOX 0.997776 0.3782 0.999805 0.7655 0.42
O3 1.006827 0.1470 1.008188 0.0977 0.84
PM10 0.999711 0.9235 0.995961 0.0088 0.26
ALL 2 test 0.3617 2 test 0.0492
Air Pollution and Health 24
THE DELAYED EFFECT OF THE POLLUTANTS
Auto Correlations in Lag Times
Lag=> 0 1 2 3 4SO2 1.00 0.6174 0.3646 0.2759 0.2553NOX 1.00 0.6244 0.4139 0.3721 0.3385O3 1.00 0.6840 0.5100 0.4638 0.4365PM10 1.00 0.5962 0.2097 0.0851 0.0517
0 1 2 3 4 5 6
1.00
0000
001.
0010
0005
Lag Time in Days for SO2
RR
[ SO
2 ]
0 1 2 3 4 5 6
1.00
0000
000
1.00
0200
033
Lag Time in Days for NOx
RR
[ NO
x ]
0 1 2 3 4 5 6
0.99
8000
026
1.00
0000
000
Lag Time in Days for O3R
R[ O
3 ]
0 1 2 3 4 5 6
1.00
0000
000
1.00
0199
914
Lag Time in Days for PM10
RR
[ PM
10 ]
Lagged RR for four Pollutants Lj = 6
Lag Model for a Single Pollutant
Lag Model for Multiple Pollutants
Unstable Model Coefficients => Unstable RR’s
LtLttt
c
iiit X....XXXCSYLog
1231211
0 )()ˆ(
L
lltl
c
iiit XCSYLog
01
10 )()ˆ(
K
j
L
lltjlj
c
iiit
j
XCSYLog1 0
)()1(1
0 )()ˆ(
Air Pollution and Health 25
THE POLYNOMIAL DISTRIBUTED LAG MODEL
Almon S. (1965)
P – is the polynomial degree
l – is the lag of the coefficient (l=0…L)
Ai - coefficients describing the polynomial shape of the lag coefficients
Matrix Notation:
j - the model coefficients jT= [j1, j2, …, jL] (Lj+1 x 1)
Aj - the polynomial coefficients AjT= [A0, A1, A2, …,
jpA] (Pj+1 x 1)
Lj – a matrix (Pj+1 x Lj+1) with Ljpl = jpl
LtLtttt X....XXXYLog 1231210)ˆ(
P
i
iil lA
0
jTjjAL
jjjj pj
ppp
j
j
j
j
L
L
L
L
...210
.......
.......
...210
...210
...211
L2222
1111
000
Air Pollution and Health 26
Example:
When P = 2 we get: 22
11
00 lAlAlAl
A d d i n g t h e c o n f o u n d e r s t o t h e m o d e l :
P
i
L
llti
ic
iiit XAlCSYLog
0 010 )()()ˆ(
The Solution :
1 – Use the Least Squares method to calculate A j
2 – Use
jP
i
ijjijl lA
0
to calculate j
The coefficients are more stable and
we use less degrees of freedom
...)94(
...)32(
...)()ˆ(
3212
3211
2100
ttt
ttt
tttt
XXXA
XXXA
XXXAYLog
T h e M u l t i P o l l u t a n t M o d e l :
K
j
P
i
L
lltjji
ij
c
iiit
j j
XAlCSYLog1 0 0
)(1
0 )()()ˆ(
Define two Parameters:
P - The Polynomial Degree L – The Lag Length
1 – Initialize L according to Bio-Medical considerations
2 – Use a Smooth function to describe the shape of the lagged RR’s
3 - From step 2 define the polynomial degree P
4 - Compute and draw all possible models for l = 1…L and for P
5 - Eliminate all models which have no Biological/Medical plausibility
6 - Select those with the Lowest AIC
7 – Select the one with the highest proportion of significant lagged RR’s
jP
i
ijjijl lA
0
Air Pollution and Health 27
PDLM - A Numerical Example: CVD and SO2SO 2: T he Sm oothed P attern of the L agged R R
L ow ess(F = 2/3 ) P = 2 (L 10 )
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1.00
0000
001.
0004
9996
1.00
1000
051.
0015
0001
Lag T im e in D ays fo r S O 2
RR
[SO
2]
Lagged RR for SO2 (2 L 10) P = 2
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 101.00
0000
001.
0010
0005
Lag Time in Days for SO2
RR
[ SO
2 ]
0 1 2 3 4 5 6 7 8 91.00
0000
001.
0010
0005
Lag Time in Days for SO2
RR
[ SO
2 ]
0 1 2 3 4 5 6 7 81.00
0000
000
1.00
0800
014
Lag Time in Days for SO2
RR
[ SO
2 ]
0 1 2 3 4 5 6 71.00
0000
000
1.00
0800
014
Lag Time in Days for SO2
RR
[ SO
2 ]
0 1 2 3 4 5 61.00
0000
000
1.00
0800
014
Lag Time in Days for SO2
RR
[ SO
2 ]
0 1 2 3 4 51.00
0000
000
1.00
0800
014
Lag Time in Days for SO2
RR
[ SO
2 ]
0 1 2 3 41.00
0000
001.
0010
0005
Lag Time in Days for SO2
RR
[ SO
2 ]
0 1 2 31.00
0000
001.
0010
0005
Lag Time in Days for SO2
RR
[ SO
2 ]
0 1 21.00
0000
001.
0015
0001
Lag Time in Days for SO2
RR
[ SO
2 ]
The PDLM vs The Multiple Lags (L = 5,6,7,8)
0 1 2 3 4 5 6 7 8
1.0
00
00
00
01
.00
10
00
05
Lag Time in Days for SO2
RR
[ S
O2
]
0 1 2 3 4 5 6 7
1.0
00
00
00
01
.00
10
00
05
Lag Time in Days for SO2
RR
[ S
O2
]
0 1 2 3 4 5 6
1.0
00
00
00
01
.00
10
00
05
Lag Time in Days for SO2
RR
[ S
O2
]
0 1 2 3 4 5
1.0
00
00
00
01
.00
10
00
05
Lag Time in Days for SO2
RR
[ S
O2
]
Model Comparison: AIC
Lag 2 3 4 5 6 7 8 9 10
AIC 2298.6 2299.6 2302.0 2294.7 2297.3 2294.6 2297.6 2296.4 2301.8
Selected Models:
L = 5 , 6 , 7 , 8
Air Pollution and Health 28
CI for the Lagged RR
21)}]ˆ(ˆexp{[ 221 jljljl SEZRRP
jP
i
ijjijl lA
0
P
i
P
i
ii
iijjl lAVV0 0
),(,
,
, )()(
jjT
jj AV LLV )()(
V ( A j ) - v a r - c o v a r m a t r i x o f t h e
p o l y n o m i a l c o e f f i c i e n t s
( P j + 1 x P j + 1 )
9 0 % C I F o r T h e L a g g e d R R ( L = 5 , 6 , 7 , 8 )
0 1 2 3 4 5 6 7 80.9
9950
004
1.0
0050
008
L a g T im e in D a y s f o r S O 2
RR
[ SO
2 ]
9 0 % C I F o r t h e L a g g e d R e a l t i v e R is k s
0 1 2 3 4 5 6 70.9
9950
004
1.0
0050
008
L a g T im e in D a y s f o r S O 2
RR
[ SO
2 ]
9 0 % C I F o r t h e L a g g e d R e a l t i v e R is k s
0 1 2 3 4 5 6
1.0
0000
000
1.0
0100
005
L a g T im e in D a y s f o r S O 2
RR
[ SO
2 ]
9 0 % C I F o r t h e L a g g e d R e a l t i v e R is k s
0 1 2 3 4 51.0
0000
000
1.0
0100
005
L a g T im e in D a y s f o r S O 2
RR
[ SO
2 ]
9 0 % C I F o r t h e L a g g e d R e a l t i v e R is k s
H 0 : R R . = .1 v s . H 1 : R R . > .1 . = .0 .0 5
S e l e c t e d M o d e l : L = 6
6 o u t o f 7 a r e s i g n i f i c a n t
Air Pollution and Health 29
PDLM: Final Results - CVD & Respiratory
C a r d io V a s c u la r M o r ta lity .
9 0 % C I F o r T h e L a g g e d R R .
S O 2 , N O X , O 3 a n d P M 1 0
0 1 2 3 4 5 6
1.00
0000
001.
0010
0005
L a g T im e in D a ys fo r S O 2
RR
[ SO
2 ]
9 0 % C I F o r th e L a g g e d R e a ltiv e R is k s
0 1 2 3 4 5 6 7 8
1.00
0000
000
1.00
0200
033
L a g T im e in D a ys fo r N O x
RR
[ NO
x ]
9 0 % C I F o r th e L a g g e d R e a ltiv e R is k s
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 00.99
8500
050.
9995
0004
L a g T im e in D a ys fo r O 3
RR
[ O3
]
9 0 % C I F o r th e L a g g e d R e a ltiv e R is k s
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0
1.00
0000
000
1.00
0200
033
L a g T im e in D a ys fo r P M 1 0
RR
[ PM
10 ]
9 0 % C I F o r th e L a g g e d R e a ltiv e R is k s
R e s p ir a t o r y M o r ta l i ty .
9 0 % C I F o r T h e L a g g e d R R .
S O 2 N O X O 3 a n d P M 1 0
0 1 2 3 4 5 6
1.0
00
000
00
1.0
02
000
09
L a g T im e in D a y s fo r S O 2
RR
[ S
O2
]
9 0 % C I F o r th e L a g g e d R e a lt iv e R is k s
0 1 2 3 4 5 6
0.9
99
799
97
1.0
00
199
91
L a g T im e in D a y s fo r N O x
RR
[ N
Ox
]
9 0 % C I F o r th e L a g g e d R e a lt iv e R is k s
0 1 2 3 4 5 6 7 8
0.9
96
000
05
1.0
00
000
00
L a g T im e in D a y s fo r O 3
RR
[ O
3 ]
9 0 % C I F o r th e L a g g e d R e a lt iv e R is k s
0 1 2 3 4 5
0.9
99
500
04
1.0
00
000
00
1.0
00
500
08
L a g T im e in D a y s fo r P M 1 0
RR
[ P
M1
0 ]
9 0 % C I F o r th e L a g g e d R e a lt iv e R is k s
Air Pollution and Health 30
PDLM: SUMMARY & CONCLUSIONS 1. The Method
1.1 The PDLM provides us stable estimates for the RR’s
1.2 The PDLM computations are NOT complicated
1.3 The significance of the results can be obtained easily
1.4 It is easy to use the PDLM for any combination of P and L.
1.5 The results show Bio-Medical plausibility
2. The Results
2.1 The daily effects of air pollution on death last for about a week
2.2 The magnitude of the effect is at its utmost on the first day
2.3 O3 behaves in an opposite direction as compared to other pollutants
2.4 The RR’s are extremely low (even for an increase > 1 g/m3).
Can we consider the air pollutants as risk factors ?
Air Pollution and Health 31
Changes in Air-Pollution Levels with TimeThe 1980’s vs. The 1990’s – A Comparative Study
Annual Average Concentrations: 1980-1996
Years: 1980 - 1996
Ann
ual A
vera
ges
of
SO
2
1980 1985 1990 1995
1520
2530
3540
45
Years: 1980 - 1996
Ann
ual A
vera
ges
of
NO
x1980 1985 1990 1995
8010
012
014
016
0
Years: 1980 - 1996
Ann
ual A
vera
ges
of
O3
1980 1985 1990 1995
4050
6070
80
Annual Box Plots forAir-Pollution Concentrations: 1980-1996
050
100
150
*********
*
*********
*
************
*************
***********
******************
**************************
***************
**
***************************
1980 1981 1982 1983 1991 1992 1993 1994 1995 1996
Years
Con
cent
ratio
n of
SO
2
020
040
060
0
******
************************
*****
*******
*
************
**
*
***********************
**************
****
*************
****************
***
1980 1981 1982 1983 1991 1992 1993 1994 1995 1996
Years
Con
cent
ratio
n of
NO
x
050
100
150
*
****
*****
*******
*****
* *****
1980 1981 1982 1983 1991 1992 1993 1994 1995 1996
Years
Con
cent
ratio
n of
O3
Air-Pollution concentrations: 1980’s vs. 1990’s
050
100
150
***************************************************
**********************************************************************************************
1980's 1990's
Years: 1980's vs. 1990's
Con
cent
ratio
n of
S
O2
020
040
060
0
********************************
*
****************************************************************************************************
1980's 1990's
Years: 1980's vs. 1990's
Con
cent
ratio
n of
N
Ox
050
100
150
***************************
********************
1980's 1990's
Years: 1980's vs. 1990's
Con
cent
ratio
n of
O
3
Air-Pollution Levels: 1990’s vs. 1980’s
Pollutant 1990’s 1980’s Change %
Avr. 22.2 39.2 -17.0 -43%
SO2 SD 14.1 23.0 -8.9 -38%
Med. 18.0 35.3 -17.3 -49%
Avr. 140.5 95.7 44.8 +46%
NOX SD 99.6 63.8 35.8 +56%
Med. 113.3 80.6 32.7 +40%
Avr. 36.7 60.6 -23.9 -39%
O3 SD 15.9 29.6 -13.7 -46%
Med. 36.0 57.4 -21.4 -37%
Air Pollution and Health 32
Changes in Air-Pollution Levels in the 1990’s
Date: 1/1/1991 - 31/12/1996
SO
2 L
eve
ls
20
40
60
80
10
0
01/01/1991 01/01/1992 01/01/1993 01/01/1994 01/01/1995 01/01/1996
SO2 Daily Concentrations. Crude Data
Date: 1/1/1991 - 31/12/1996
SO
2 L
eve
ls
51
05
01
00
01/01/1991 01/01/1992 01/01/1993 01/01/1994 01/01/1995 01/01/1996
SO2 Daily Concentrations. Crude Data in Log Base 10 Scale
Date: 1/1/1991 - 31/12/1996
SO
2 L
eve
ls [l
g]
51
05
01
00
01/01/1991 01/01/1992 01/01/1993 01/01/1994 01/01/1995 01/01/1996
SO2 Daily Concentrations. Time Series Plot in Log Base 10
Date: 1/1/1991 - 31/12/1996
SO
2 L
eve
ls [l
g] 2
0
01/01/1991 01/01/1992 01/01/1993 01/01/1994 01/01/1995 01/01/1996
SO2 Concentrations. Lowess Smoother With a Window of 10% Fraction
Date: 1/1/1991 - 31/12/1996
SO
2 L
eve
ls [l
g] 2
0
01/01/1991 01/01/1992 01/01/1993 01/01/1994 01/01/1995 01/01/1996
SO2 Concentrations. Lowess Smoother With a Window of 90% Fraction
Example: Changes In SO2 Daily Concentrations 1/1/1991 – 31/12/1996
SO2 Crude Data SO2 Crude Data In Log Scale
SO2 Time Series Plot SO2 Lowess Smoother 10%
SO2 Lowess Smoother 90% Fraction
Air Pollution and Health 33
Changes in Air-Pollution Levels in the 1990’s
Percent of Change 1993 vs. 1996
Pollutant Mean1993
Mean1996
Pct Med.1993
Med.1996
Pct
SO2 27.80 15.85 -42% 22.37 13.38 -40%
NOX 168.99 121.68 -27% 124.00 96.00 -22%
O3 37.70 35.36 -6% 36.00 34.66 -4%
PM10 47.37 56.38 +19% 44.00 41.50 -6%
A n n u a l B o x P lo ts fo r P o llu tio n C o n c e n tr a tio n s :
1 9 9 1 -1 9 9 6
(e x tre m e P M 1 0 e x c lu d e d )
2040
6080
100
***********
******************
************************
**
***************
**
***************************
1991 1992 1993 1994 1995 1996
Years
SO2
020
040
060
0
************
**
*
***********************
**************
****
*************
****************
***
1991 1992 1993 1994 1995 1996
Years
NOx
020
4060
8010
0
*******
*****
* ****
*
1991 1992 1993 1994 1995 1996
Years
O3
050
100
150
200
*********************
**
********************
*
**********************
*
*************************
***
1991 1992 1993 1994 1995 1996
Years
PM10
Daily Changes in Air Pollution Concentrations:
The 1990’s
Days: 1/1/91-31/12/96
Lo
g[ S
O2
]
1.1
1.2
1.3
1.4
01/01/91 01/01/93 01/01/95
Days: 1/1/92-31/12/96
Lo
g[ N
Ox
]
1.9
2.0
2.1
2.2
2.3
01/01/91 01/01/93 01/01/95
Days: 1/1/92-31/12/96
Lo
g[ O
3 ]
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
01/01/91 01/01/93 01/01/95
Days: 1/1/93-31/12/96
Lo
g[ P
M1
0 ]
1.5
51
.65
1.7
51
.85
01/01/91 01/01/93 01/01/95
Log base 10 scale
Lowess smoother with 10% fraction (Seasonality)
Lowess smoother with 90% fraction (trend)
PM10 Edge effect !!! 4 extreme outliers in 1996
Air Pollution and Health 34
Changes in Mortality Levels in the 1990’s
A n n u a l A verages of D a ily M orta lity L eve ls:
1991-19 96
1 9 9 1 1 9 9 2 1 9 9 3 1 9 9 4 1 9 9 5 1 9 9 6
12.
51
3.0
13.
5
Y e a rs : 1 9 9 1 - 1 9 9 6
Re
spira
tory
+ C
ard
io V
asc
ula
r
1 9 9 1 1 9 9 2 1 9 9 3 1 9 9 4 1 9 9 5 1 9 9 6
26.
52
7.0
27.
52
8.0
28.
5
Y e a rs : 1 9 9 1 - 1 9 9 6
To
tal M
orta
lity
Annual Averages of Daily Mortality Levels: 1991-1996
Mortality 1991 1992 1993 1994 1995 1996 Change1991-1996
Resp. + CVD 13.33 13.77 13.38 12.82 13.31 12.08 -9.3%
SD 4.62 5.15 4.77 4.18 4.72 3.94 -14.7%
Total Mortality 26.45 27.41 26.94 27.00 28.59 27.21 +2.8%
SD 6.18 7.30 6.71 5.81 6.85 5.53 -10.5%
R a t i o o f D a i l y M o r t a l i t y
f r o m A t t r i b u t a b l e D i s e a s e s
0 1 / 0 1 / 9 1 0 1 / 0 1 / 9 2 0 1 / 0 1 / 9 3 0 1 / 0 1 / 9 4 0 1 / 0 1 / 9 5 0 1 / 0 1 / 9 6
0.4
00
.45
0.5
00
.55
D a y s : 1 / 1 / 9 1 - 3 1 / 1 2 / 9 6
(Re
spir
ato
ry+
Ca
rdio
)/T
ota
l
S c a l e : ( C V D + R e s p i r a t o r y ) / T o t a l
L o w e s s s m o o t h e r w i t h 1 0 % f r a c t i o n
L o w e s s s m o o t h e r w i t h 9 0 % f r a c t i o n ( t r e n d )
Air Pollution and Health 35
Estimation of the Count of Saved or Lost Lives
}exp{ )()(0)()( jFjFFjF XY }exp{ )()(0)()( jSjSSjS XY
}exp{)}(exp{][ )()()(
)(jjjFjSj
jF
jSj XX
Y
YRDC )1]([*365*][
~
jj RDCYLS
1365**]1}*])[[exp{(][ 21 YSEZLSP jjjj
365**)1(exp][1
~
YLSTtlk
jjj
1365**1][exp][1
211
YSEZLSTtlPk
jjj
k
jjj
Single-Pollutant Model
Multi-Pollutant Model
k
j
k
jjjjj
k
jjj
k
jjj VVSE
1 1'''
11
2 ),(][][ ),(][ '1
2jj
Tk
j jj VSE
Confidence interval for LS
Confidence interval
for Multiple LS
SE2 in Matrix Notation
Air Pollution and Health 36
Estimation of Saved or Lost Lives 1980’s vs. 1990’s
Change in Mean Pollutants Concentrations 1990’s vs 1980’s
Pollutant Mean80 Mean90 M90-M80 % Change
SO2 39.2 22.2 -17.0 -43%
NOX 95.7 140.5 44.8 +46%
O3 60.6 36.7 -23.9 -39%
Cardio Vascular Diseases
102 excess deaths per year in the 90’s as compared to the 80’s
the 95% CI.=.{-125 , +343}.
Respiratory Diseases
4 excess deaths per year in the 90’s as compared to the 80’s
the 95% CI.=.{-71 , +91}.
Air Pollution and Health 37
Estimation of Saved or Lost Lives - 1993 vs. 1996
Change in Mean Pollutants Concentrations 1996’s vs 1993’s
Pollutant Mean93 Mean96 M96-M93 % Change
SO2 27.80 15.85 -11.95 -42%
NOX 168.99 121.68 -47.31 -27%
O3 37.70 35.36 -2.34 -6%
PM10 47.37 47.89 0.52 +1%
Cardio Vascular Diseases
29 more deaths in 1996 as compared to 1993
the 95% CI.=.{-66 , +128}.
Respiratory Diseases
38 excess lives in 1996 as compared to 1993
the 95% CI.=.{+5 , +70}.
Air Pollution and Health 38
Estimation of Saved or Lost Lives Sensitivity Analysis
Increa se in A n n u a l M orta lity C o u n t
from C a rd io V a sc u la r d isea ses
D ue to C ha n g es in S O 2 , N O X a nd P M 1 0
SO2: Percentage of Change from Base Line
Chan
ges
in A
nnua
l Mor
tality
Cou
nt
-40 -20 0 20 40
-100
010
0
NOx: Percentage of Change from Base Line
Chan
ges
in A
nnua
l Mor
tality
Cou
nt
-40 -20 0 20 40
-100
010
0
PM10: Percentage of Change from Base Line
Chan
ges
in A
nnua
l Mor
tality
Cou
nt
-40 -20 0 20 40
-100
010
0
SO2, NOx, PM10: Percentage of Change from Base Line
Chan
ges
in A
nnua
l Mor
tality
Cou
nt
-40 -20 0 20 40
-100
010
0
Increase in A nnual M orta lity C ount
from R espiratory diseases
D ue to C hanges in S O 2, N O X and P M 10
SO2: Percentage of Change from Base Line
Cha
nges
in A
nnua
l Mor
talit
y C
ount
-40 -20 0 20 40
-60
-20
020
4060
NOx: Percentage of Change from Base Line
Cha
nges
in A
nnua
l Mor
talit
y C
ount
-40 -20 0 20 40
-60
-20
020
4060
PM10: Percentage of Change from Base Line
Cha
nges
in A
nnua
l Mor
talit
y C
ount
-40 -20 0 20 40
-60
-20
020
4060
SO2, NOx, PM10: Percentage of Change from Base Line
Cha
nges
in A
nnua
l Mor
talit
y C
ount
-40 -20 0 20 40
-60
-20
020
4060
Air Pollution and Health 39
Thank You Until Next Time !!!!
That’s All Folks