Quantification of population exposure to PM10, PM2.5 and NO2 and estimated health impacts for 2019 and 2030

Concentrations of NO2, PM10 and PM2.5 have been calculated for the whole of Sweden for the year 2019 as well as two scenarios for 2030 in this study. Calculations have been performed using a new methodology, allowing almost seam-less combination of dispersion modelling at regional and urban scale without double-counting emissions. The concentrations have been calculated at 250x250 m2 resolution, producing a uniquely complete and detailed dataset at national scale. The  methodology used can well reproduce the measured pollution levels at most urban background stations in the modelling domain. The spatial resolution of 250 m captures concentration gradients that are of importance for exposure calculations. An important strength of using dispersion modelling to calculate concentrations is the direct relation with emission inventories, allowing for source attribution and scenario evaluation that is consistent with emission inventories and projections. 

The modelled concentrations are used together with gridded population data in order to calculate exposure. The annual average population weighted exposure is 5.08 µg/m3 for NO2, 9.95 µg/m3 for PM10 and 5.21 µg/m3 for PM2.5 in 2019. A large decrease, by approximately 2 µg/m3, is seen for exposure to NO2 in 2030 compared to 2019. The exposure to PM10 and PM2.5 is also decreasing in 2030, but not as drastically, by about 0.2 µg/m3.   

A general conclusion is that exposure is higher in the age span of 21-50 years. An explanation is that these age groups more often live in urban areas, where there are more emissions and higher concentrations of pollution.    

Zero percent of the population is exposed to levels above the annual air quality standards for NO2, PM10 and PM2.5 for 2019 and 2030.  It is to be noted that the model results represent annual averaged urban background concentrations, not local hotspot concentrations. 

The modelled exposures to PM2.5 and urban NO2 have been used for a national health impact assessment. The health impact assessment is similar to an earlier study of premature deaths and incident cases of mainly chronic diseases. Our results differ to a varying degree from similar impact assessments. Most important among the complicated reasons for differences in the estimated health impacts are the assumed exposure-response functions for the specific exposures, the slope and if there is a lower threshold below which no association exists. We have in this study decided to follow the strong evidence from high quality epidemiological studies that the exposure-response relationship between long-term exposure to PM2.5 and total mortality in adults is supra-linear with a much steeper slope at the lower end, with stronger effects of near source exposure, and no evidence of a threshold level below which no effects are observed. When adding the yearly number of premature deaths attributed to the regional background PM2.5 levels and the deaths associated with PM2.5 exposure from local sources, the total number becomes 4 264 deaths related to the fine particle exposure situation in 2019. At the same time, the urban contribution of NO2 is estimated to result in additional 428 premature deaths per year. 

In 2030 the population exposure to PM2.5 from the regional background is expected to be about 2% lower and from urban sources 22% lower compared to 2019, which indicates how much the attributed number of preterm deaths would change if everything else stays the same. 

Sammanfattning
Halter av NO2, PM10 och PM2.5 har beräknats för hela Sverige för år 2019 och för två scenarier 2030 i den här studien. Beräkningar har gjorts med en ny metodik som möjliggör en nästan helt sömlös kombination av spridningsmodellering på regional och urban skala utan att dubbelräkna emissioner. Föroreningshalter har beräknats på 250x250 m2 upplösning, vilket ger ett unikt komplett och detaljerat dataset på nationell skala. Metodiken kan väl reproducera uppmätta föroreningshalter vid de flesta urbana bakgrundsstationerna i modelldomänet. Den spatiala upplösningen på 250 m fångar koncentrationsgradienter av vikt för exponeringsberäkningar. En styrka med att använda spridningsmodeller för att beräkna föroreningshalter är den direkta kopplingen till emissionsinventeringar och projektioner.

Modellerade föroreningshalter kombineras med griddad befolkningsdata för att beräkna exponering. Den befolkningsviktade årsmedelexponeringen är 5,08 μg/m3 för NO2, 9,95 μg/m3 för PM10 och 5,21 μg/m3 för PM2.5 år 2019. En stor minskning, med cirka 2 μg/m3
till 2030, beräknas för exponering av NO2. Exponeringen för PM10 och PM2.5 minskar också till 2030, men inte lika drastiskt, med ungefär 0,2 μg/m3.

En generell slutsats är att exponeringen är högre i åldersspannet 21-50 år. En förklaring är dessa åldersgrupper oftare bor i urbana områden, med mer utsläpp och högre föroreningshalter.

Noll procent av befolkningen exponeras för halter över den årliga miljökvalitetsnormen för NO2, PM10 och PM2.5, varken år 2019 eller 2030. Det ska dock noteras att modellresultaten representerar årsmedelvärden av urbana bakgrundskoncentrationer, inte lokala hotspots.

De modellbaserade beräkningarna av exponeringen för PM2.5 och lokalt genererad NO2 har använts i en nationell hälsokonsekvensberäkning. Hälsokonsekvensberäkningen liknar en nyligen publicerad beräkning avseende 2019, av förtida dödsfall och uppkomst av främst kroniska sjukdomar. Våra resultat avviker i olika riktning från resultaten i liknande beräkningar. En avgörande och komplicerad anledning till skillnader i de beräknade hälsokonsekvenserna är vilka exponerings-responssamband för specifika föroreningar som man baserar sina beräkningar på, riskkurvans form och om det finns någon säker nivå under vilken sambandet upphör. I denna studie har vi valt att luta oss mot den vetenskapliga evidens som ges av högkvalitativa epidemiologiska studier för att sambanden mellan partikelhalt och dödlighet är supra-linjära med den brantaste riskökningen vid de lägsta halterna, att effekterna är starkare nära källan samt att det inte finns stöd för någon tröskelnivå under vilken halten saknar betydelse. När vi räknar ihop antal förtida dödsfall per år som den regionala bakgrundshalten av PM2.5 beräknas orsaka med de dödsfall som beräknas uppkomma till följd av partikelutsläpp på hemorten så blir summan 4 264 förtida dödsfall relaterade till föroreningssituationen 2019. För samma exponeringssituation uppskattar vi att de lokalt genererade bidraget
till NO2-halten leder till ytterligare 428 förtida dödsfall per år.

2030 beräknas befolkningsexponeringen för PM2.5 från den regionala bakgrunden ha minskat med omkring 2 % och från urbana källor med 22 % jämfört med 2019, vilket indikerar hur mycket antalet förtida dödsfall skulle reduceras om allt övrigt är oförändrat.