A system dynamics model of climate and malaria in Colombia

Approximately 30% of the population of Colombia live in endemic lowlands at risk of getting infected with malaria. Nonetheless, it has been shown that during the last 50 years, climate variability associated with the occurrence of El Niño (the warm phase of ENSO) causes malaria outbreaks , and is highly likely that climate change will exacerbate the incidence of malaria in those endemic regions, and its emergence in non-endemic highlands, where around 70% of Colombians live. For this reason, the aim of this thesis is to develop a model capable to explain the role that climate plays on the vector-host transmission dynamics of endemic malaria in Colombia. Toward this end, a mathematical system dynamics model forced by air temperature is developed to simulate the transmission of P. falciparum in an endemic region of the Pacific low-lands of Colombia (Nuquí, Chocó). Iterated filtering, a recently developed parameter estimation technique, was used to define the unknown value of some parameters of the model, with the purpose of perform numerical simulations of the P. falciparum malaria cases. The simulations were performed using the Euler integration method and daily time steps for the period from September of 1996 to December of 2003. We found that air temperature was able to explain the malaria outbreaks that occurred in the study region in 1997, 1998, 2002 and 2003, associated with the occurrence of El Niño or the warm phase of ENSO. This results confirm similar findings of previous models developed and simulated in Colombia, and are consistent with the role that climate variability has in the origin of interannual dynamics of malaria in other parts of the world. Resumen: Actualmente, aproximadamente el 30% de los colombianos vive en regiones endémicas de baja altitud, en riesgo de ser infectados con malaria. No obstante, ya se ha mostrado que durante los últimos 50 años, la variabilidad climática asociada a la ocurrencia de El Niño (la fase caliente del ENSO) causa brotes epidémicos de malaria. Aún más, es altamente probable que el cambio climático aumente la incidencia de la malaria en esas regiones endémicas, y cause su emergencia en zonas no endémicas de mayor altitud, dónde cerca del 70% de los colombianos vive. Por esta razón, el objetivo de esta tesis, es construir un modelo que sea capaz de explicar el rol que juega el clima en la dinámica de transmisión vector-hospedero de la malaria endémica en Colombia. Para esto, se desarrolla un modelo matemático en dinámica de sistemas que simula la transmisión de P. falciparum en una zona endémica de las tierras bajas del pacifico de Colombia (Nuquí, Chocó), bajo el efecto de la temperatura del aire. Filtración iterativa, una técnica de estimación de parámetros desarrollada recientemente fue usada para determinar el valor desconocido de algunos parámetros del modelo, con el fin de realizar simulaciones numéricas de los casos de P. falciparum. Las simulaciones se realizaron usando el método de integración de Euler, con un tiempo de integración igual a un día, para el periodo comprendido entre septiembre de 1996 y diciembre de 2003. Esto permitió encontrar que la temperatura del aire, es capaz de explicar los brotes epidémicos de malaria que ocurrieron en Nuquí, Chocó en los años 1997,1998, 2002 y 2003, asociados con la ocurrencia de El Niño, o la fase caliente del ENOS. Este resultado confirma hallazgos similares de modelos desarrollados, y simulados previamente en Colombia, y son consistentes con el papel que tiene la variabilidad del clima en el origen de dinámicas inter-anuales de la malaria, en otras partes del mundo. Maestría