Dengue fever in Jamaica : scenarios with climate change

Abstract

Resumo: A localização geográfica da Jamaica a torna vulnerável a riscos naturais, como enchentes e secas, que indiretamente levaram à disseminação da dengue na ilha. Embora as causas da dengue vinculem-se a fatores socioeconômicos e climáticos (que variam espacialmente), há ainda grande escassez no uso de procedimentos de pesquisa como o Sistema de Informação Geográfica (SIG) e técnicas de sensoriamento remoto que contribuam para analisar doenças e variáveis a elas associadas. Essa investigação científica visa preencher esta lacuna. Para tanto, aplicou-se uma abordagem baseada em cenários específicos na Jamaica para avaliar a vulnerabilidade à dengue em escala nacional sob condições climáticas atuais e futuras, isto, a partir do ponto de vista ecológico. Primeiramente, realizou-se uma avaliação de precisão de seis produtos de precipitação por satélite para analisar o nível de viés dentro do conjunto de dados antes do uso. Em seguida, examinou-se o padrão espaço-temporal da dengue para no país, seguido de uma avaliação da relação entre a dengue e algumas variáveis climáticas. A análise final incluiu uma avaliação da vulnerabilidade da dengue usando a estrutura do índice de doenças associadas à água (WADI) nos seguintes cenários: (1) Conjunto de dados de precipitação e temperatura do World Clim para 1970-2000; (2) Precipitação Infravermelha do Grupo de Perigos Climáticos com Dados da Estação (CHIRPS) e Temperatura da Superfície Terrestre (LST) como proxy para a temperatura do ar a partir do Espectrorradiômetro de Imagem de Resolução Moderada (MODIS) para o período de 2002 a 2016; (3) Temperatura máxima e precipitação sob o Cenário de Concentração Representativa (RCP) 8,5 cenário de mudança climática para 2030 downscaled em 25km baseado no Modelo Regional do Clima, RegCM4.3.5. Para esse fim, utilizaram-se os softwares R. Commander, ArcGIS, Google Earth Engine, ILWIS, Excel, DrinC e a ferramenta Expert Mode através da Data Library Platform do Instituto Internacional de Pesquisa para Clima e Sociedade (IRI) da Universidade de Columbia, em Nova York, Estados Unidos. Os resultados mostram que a dengue é onipresente na Jamaica, embora os surtos sejam frequentemente esporádicos. Kingston e St. Andrew representam a maioria dos casos, no entanto, do ponto de vista da taxa de incidência, outras localidades com populações menores, como Trelawny e Manchester, registaram altas taxas de incidência de dengue. Deste modo, constatou-se que alguns dos surtos de dengue ocorreram durante os episódios de La Niña, que também influenciaram os eventos climáticos extremos na Jamaica. No entanto, a chuva e o Índice Padronizado de Precipitação por 6 meses (Índice SPI) foram as únicas variáveis que apresentaram correlação positiva com a dengue. No que diz respeito a avaliação de vulnerabilidade à dengue, a mesma variou espacial e temporalmente em cada cenário, ainda que os maiores índices de vulnerabilidade à dengue foram observados nas áreas urbanas para todos os cenários. Além disso, os resultados sugerem que a extensão geográfica de dengue na Jamaica pode se expandir para maior elevação sob condições de mudanças climáticas. Isso indica a endemicidade da Jamaica à dengue e a possibilidade de ocorrência futura da doença no país, o que, de fato, confirma a que a ocorrência de dengue deve piorar com o impacto da mudança climática. Ao fim constatou-se que os resultados dessa investigação científica poderão ser úteis para medidas de controle de vetores de mudanças climáticas na Jamaica em condições atuais e futuras. Palavras-Chaves: Dengue, Jamaica, Avaliação de Vulnerabilidade, Mudança Climática, Análise Multi-critério.

Abstract: The location of Jamaica makes it vulnerable to natural hazards such as floods and drought, which have indirectly led to the spread of dengue fever on the island. Even though dengue is caused by socio-economic and climate factors that vary spatially, there is paucity in the use of Geographic Information System (GIS) and remote sensing techniques to analyse the disease and the associated variables. Consequently, this study aims to fill this gap, through the use of a scenario based approach to assess vulnerability to dengue in Jamaica under current and future climate change conditions, from an ecological perspective. First, an accuracy assessment of six satellite rainfall products was conducted in order to analyse the level of bias within the dataset prior to use. Afterwards, the spatio-temporal pattern of dengue fever for the island was examined, followed by an assessment of the relationship between dengue and some climate variables. The final analysis included a vulnerability assessment of dengue using the water-associated disease index (WADI) framework with the following scenarios: (1) World Clim rainfall and temperature dataset for 1970-2000; (2) Climate Hazard Group InfraRed Precipitation with Station data (CHIRPS) rainfall and Land Surface Temperature (LST) as proxy for air temperature from the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) for the period 2002 to 2016, and (3) maximum temperature and rainfall under the Representative Concentration Pathway (RCP) 8.5 climate change scenario for 2030 downscaled at 25km based on the Regional Climate Model, RegCM4.3.5. Analysis was conducted using the R Commander software, ArcGIS, Google Earth Engine, ILWIS, Excel, DrinC and the Expert Mode tool via the Data Library Platform at the International Research Institute for Climate and Society (IRI), University of Columbia in New York, USA. Results show that dengue fever is ubiquitous in Jamaica though outbreaks are often sporadic. Kingston and St. Andrew account for majority of the cases however, from an incidence rate standpoint, other parishes with lower population such as Trelawny and Manchester recorded higher incidence rates at times. The analysis also indicated that some of these dengue outbreaks occurred during La Niña episodes which have also influenced extreme weather events on the island. Notwithstanding, rainfall and the 6-months Standardized Precipitation Index (SPI Index) were the only variables that had a positive correlation with dengue. In the final assessment, vulnerability to dengue varies spatially and temporally in each scenario. However, a higher vulnerability to dengue was observed in the urban areas for all scenarios. The results suggest that the geographical range of dengue fever in Jamaica might expand to higher elevation under climate change conditions. This demonstrates the endemicity of Jamaica to dengue and the possibility for future occurrence of the disease on the island which might be more severe under climate change conditions. The findings from this study can therefore be useful for vector control measures under current and future climate change conditions in Jamaica. Key words: Dengue, Jamaica, Vulnerability Assessment, Climate Change, Spatial Multi- Criteria Evaluation

RESUMEN: La ubicación geográfica de Jamaica la hace vulnerable a riesgos naturales, como inundaciones y sequías, que indirectamente llevaron a la diseminación del dengue en la isla. Aunque las causas de dengue se vinculan a factores socioeconómicos y climáticos (que varían espacialmente), hay gran escasez en el uso de procedimientos de investigación como el Sistema de Información Geográfica (SIG) y técnicas de aplicación de sensores remotos que contribuyen a analizar enfermedades y variables asociadas a ellas. Esta investigación científica pretende contribuir a llenar esta laguna. Avanzamos a partir de un enfoque basado en escenarios específicos para evaluar la vulnerabilidad al dengue en escala nacional bajo condiciones climáticas actuales y futuras, desde el punto de vista ecológico. En primer lugar, se realizó una evaluación de la precisión de seis productos de precipitación por satélite para analizar el nivel de sesgo dentro del conjunto de datos antes del uso. Luego, se examinó el patrón espacio-temporal del dengue en el país, seguido de una evaluación de la relación entre el dengue y algunas variables climáticas. El análisis final incluyó una evaluación de la vulnerabilidad del dengue utilizando la estructura de índice de enfermedades asociadas con agua (WADI) en los siguientes escenarios: (1) un conjunto de datos de precipitación y de la temperatura de la Clim Mundial para 1970-2000; (2) Precipitación Infrarroja del Grupo de Peligros Climáticos con Datos de la Estación (CHIRPS) y Temperatura de la Superficie Terrestre (LST) como proxy para la temperatura del aire a partir del Espectrorradiómetro de Imagen de Resolución Moderada (MODIS) para el período 2002 a 2016; (3) Temperatura máxima y precipitación bajo el Escenario de Concentración Representativa (RCP) 8,5 escenario de cambio climático para 2030 downscaled en 25km basado en el Modelo Regional del Clima, RegCM4.3.5. Para tanto, se utilizaron los softwares R Commander, ArcGIS, Google Earth Engine, ILWIS, Excel, DrinC y la herramienta Expert Mode a través de la Data Library Platform del Instituto Internacional de Investigación para el Clima y la Sociedad (IRI) de la Universidad de Columbia en Nueva York, Estados Unidos. Los resultados sugieren que el dengue es omnipresente en Jamaica, aunque los brotes son a menudo esporádicos. Kingston y St. Andrew representan la mayoría de los casos, sin embargo, desde el punto de vista de la tasa de incidencia, otras localidades con bajas poblaciones, como Trelawny y Manchester, registraron altas tasas de dengue. Se constató también qque algunos de estos brotes de dengue ocurrieron durante los episodios de La Niña, que también influenciaron los eventos climáticos extremos en la Jamaica. La lluvia y el Índice Estandarizado de Precipitación por 6 meses (Índice SPI) fueron las únicas variables que presentaron una correlación positiva con el dengue. En la evaluación de vulnerabilidad, la misma varío, espacial y temporalmente, en cada escenario estudiado. Los mayores indices de vulnerabilidad al dengue se observarán en las zonas urbanas para todos los escenarios. Además, los resultados sugieren que el alcance geográfico del dengue en Jamaica puede expandirse hacia una mayor elevación en detrimento de los posibles cambios climáticos. Esto indica la endemicidad de Jamaica al dengue y la posibilidad de ocurrencia futura de la enfermedad en el país. Al fin se constató que los resultados de esta investigación científica serán útiles para medidas de control de vectores de cambio climático en Jamaica en condiciones actuales y futuras. Palabras claves: Dengue, Jamaica, Evaluación de Vulnerabilidad, Cambio Climático, Evaluación Espacial Multicriterio. LIST OF FIGURES