Assessing Heat Exposure and Temperature Variability for Health Risk in Korean Cities: A Multi-City Evaluation of Anomaly-Based Metrics = 한국 도시에서의 건강위험 평가를 위한 고온 노출 및 온도 변동성 분석: 이상치 기반 지표의 다도시 비교평가

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Summer heat has been changing over the long term in response to climate change, raising concerns that patterns of heat-related mortality may also evolve over time. These changes involve both increases in mean temperature levels and greater short-term temperature variability. However, most previous studies have focused primarily on average heat exposure, while long-term changes in mortality sensitivity to short-term temperature fluctuations have received less attention. In addition, differences in local climate distributions, exposure metrics, and threshold definitions across cities have led to substantial heterogeneity in risk estimates, limiting comparability across studies and their policy relevance. This dissertation examines long-term changes in summer heat–related mortality risk in major Korean cities along two dimensions—average risk levels and sensitivity to short-term temperature variability—and evaluates factors that constrain cross-city comparability under a common threshold framework, as well as the suitability of alternative heat exposure indicators.
In Chapter 1, distributed lag non-linear models (DLNMs) were used to estimate minimum mortality temperature (MMT) and mortality sensitivity to short-term temperature variability (TV total), adjusting for mean heat exposure, across cities and time periods. The results showed that MMT tended to shift over time, although the magnitude and statistical support of these changes varied across cities. In contrast, mortality sensitivity to temperature variability did not exhibit a consistent declining trend, and increasing trends were observed in some cities. In second-stage meta-regression analyses, increases in mean WBGT within cities were strongly associated with higher MMT (+1.52°C per 1 SD increase; 95% CI: 1.12–1.92). Population aging, however, was negatively associated with MMT (−1.60°C per 1 SD increase; 95% CI: −2.60 to −0.60), indicating constraints on upward shifts in the minimum-risk temperature, while simultaneously showing a positive association with TV-related mortality sensitivity. These findings indicate that changes in average heat-related risk and vulnerability to short-term temperature variability do not follow a single adaptation pathway and therefore require joint evaluation.
Chapter 2 compared absolute temperature-based indicators with an anomaly-based WBGT indicator (ΔWBGT), defined as deviations from a short-term baseline. Spatial heterogeneity in MMT across cities was substantially lower for ΔWBGT (standard deviation: 0.26) compared with maximum temperature (1.30°C) and maximum WBGT (0.89). When a single national threshold based on the mean city-specific MMT was applied, ΔWBGT also resulted in the fewest misclassified warning days (late: 401 days; early: 357 days) relative to other indicators. These results suggest that ΔWBGT improves cross-city alignment and interpretability under a common threshold in settings with pronounced climatic heterogeneity.
Overall, this dissertation demonstrates the need to assess long-term heat adaptation by jointly considering changes in average risk levels (MMT) and sensitivity to short-term temperature variability, and shows that social factors may influence these two dimensions in different ways. In addition, the findings suggest that anomaly-based heat indicators can serve as practical alternatives for national-scale heat–health risk assessment and heat warning system operations.

국문 초록 (Abstract)

여름철 고온은 기후변화와 함께 장기적으로 변화하고 있으며, 이에 따라 고온 관련 사망위험의 양상 역시 시간에 따라 달라질 가능성이 제기되어 왔다. 이러한 변화는 평균 기온 수준의 상승과 단기적인 온도 변동성의 증가를 동시에 포함하지만, 기존 연구는 주로 평균 수준의 고온 노출에 기반한 위험 평가에 집중해 왔다. 또한 도시별 기후 분포, 노출 지표, 임계값 설정 방식의 차이로 인해 추정 결과의 이질성이 크게 나타나 연구 간 비교와 정책적 활용에 한계가 존재해 왔다. 따라서 본 학위논문은 한국 주요 도시를 대상으로 여름철 고온 관련 사망위험의 장기적 변화를 평균 수준의 위험과 단기 온도 변동성에 대한 민감도라는 두 차원에서 평가하고, 공통 임계값 적용 하에서 도시 간 비교 가능성을 제약하는 요인과 이를 개선할 수 있는 고온 노출 지표의 적절성을 검토하였다.
Chapter 1에서는 DLNM을 이용해 최소사망온도(MMT)와 평균 열 노출의 영향을 통제한 상태에서 단기 온도 변동성(TV total)에 대한 사망 민감도를 도시·기간별로 추정하고, 그 시간적 변화 양상을 비교하였다. 분석 결과, MMT는 장기간에 걸쳐 이동하는 경향을 보였으나 변화의 크기와 통계적 근거는 도시별로 상이하였다. 반면 TV 관련 사망 민감도는 시간에 따른 일관된 감소 추세가 관찰되지 않았으며, 일부 도시에서는 상승하는 추세가 확인되었다. 2단계 메타회귀 분석에서는 도시 내부의 평균 WBGT 상승이 MMT 상승과 강한 양의 연관을 보였다(1 SD 증가당 +1.52°C, 95% CI 1.12–1.92). 반면 고령인구비율 증가는 MMT와 음의 연관을 보여(−1.60°C per 1 SD, 95% CI −2.60~−0.60) 평균 수준의 적응을 제약하는 방향으로 작용했으며, 동시에 TV 관련 민감도와는 양의 연관을 보여 단기 변동성에 대한 취약성을 증가시키는 요인으로 나타났다. 이를 통해 평균 수준의 고온 위험 변화와 단기 변동성에 대한 민감도가 동일한 적응 경로를 따르지 않으며, 종합적인 평가가 필요함을 확인하였다.
Chapter 2에서는 절대 온도 기반 지표와 단기 기준선 대비 편차로 정의한 이상치 기반 WBGT 지표(ΔWBGT)를 비교하였다. 도시 간 MMT의 공간적 이질성은 max temperature에서 1.30°C, max WBGT에서 0.89였던 반면, ΔWBGT에서는 0.26으로 크게 감소하였다. 또한 단일 임계값(도시별 MMT 평균)을 적용했을 때 도시별 임계값과의 불일치로 정의한 경보 오분류 일수 합산에서도 ΔWBGT가 late 401일, early 357일로 다른 지표에 비해 가장 적었다. 이는 지역 간 기후 이질성이 큰 조건에서 ΔWBGT가 공통 임계값 운영 시 도시 간 비교 가능성과 해석 가능성을 개선할 수 있는 지표임을 보여준다.
종합하면, 본 학위논문은 장기 열 적응을 평균 수준(MMT)과 단기 온도 변동성(TV)이라는 두 차원에서 구분해 평가할 필요가 있음을 제시하며, 사회적 요인이 각 차원에 서로 다르게 작용함을 실증적으로 확인하였다. 또한 이상치 기반 고온 지표가 국가 차원의 열–건강 위험평가와 경보 체계 운영에서 적용 가능한 지표임을 시사한다.

목차 (Table of Contents)

• I. Introduction ７
• II. Literature Review １４
• II.1. Studies on long-term changes in temperature mortality relationships and adaptation １４
• II.2. Temperature variability (TV) and health impact studies １７
• II.3. Anomaly-based temperature indicators and health impacts １９
• III. Tracking Summer Heat Adaptation: Long-Term Shifts in MMT, Temperature-Variability Sensitivity, and Socio-Climatic Drivers ２２
• III.1. Introduction ２２
• III.2. Methods ２７
• III.2.1. Study area and period ２７
• III.2.2. Data sources and exposure metrics ２９
• III.2.3. Two-Stage DLNM–Meta-Regression Approach for MMT ３３
• III.2.4. Two-Stage DLNM–Meta-Regression Approach for TV ４０
• III.3. Results ４１
• III.3.1. Descriptive statistics of variables ４１
• III.3.2. Subperiod-specific MMT trajectories and city-level trend estimates ４４
• III.3.3. Determinants of MMT heterogeneity: within–between multivariable meta-regression ４７
• III.3.4. Subperiod-specific TV total trajectories and city-level trend estimates ４９
• III.3.5. Within–between multivariable meta-regression of heterogeneity in TV total effects ５２
• III.4. Discussion ５５
• III.4.1. Temporal Changes in MMT: Evidence of Adaptation and Its Determinants ５５
• III.4.2. Changes in TV total: a mismatch between mean-based adaptation and sensitivity to short-term fluctuations ６４
• III.5. Conclusion ６９
• IV. ∆WBGT: A Short-Baseline Anomaly Metric for Spatially Comparable Heat–Health Warning Thresholds ７２
• IV.1. Introduction ７２
• IV.2. Methods ７６
• IV.2.1. Study Area and Data Sources ７６
• IV.2.2. Definition of Delta WBGT ７８
• IV.2.3. Statistical Analysis ７９
• IV.2.4. Indicator comparison and evaluation ８１
• IV.3. Results ８５
• IV.3.1. Association between Heat Exposure Indices and Mortality Risk ８５
• IV.3.2. Spatial Variability of Minimum Mortality Temperatures (MMTs) ８６
• IV.3.3. Comparative Detection of Heat-Attributable Mortality Across MMT-Exceeding Days ８９
• IV.3.4. Comparative Accuracy of Heat Indices Under a Unified National MMT Threshold ９１
• IV.4. Discussion ９６
• IV.5. Conclusion １０１
• V. Conclusion １０３
• VI. Bibliography １０９
• VIII. Supplementary １４０