PM2.5, PM10, TSP의 시간대별 관측결과에 기초한 황사기간 중 분진의 분포특성에 대한 고찰: 서울시의 4대 관측점을 중심으로 한 2001년 봄철 황사 기간에 대한 사례연구 Insights into the Factors Determining the Aerosol Distribution Characteristics of the Asian Dust on the Basis of the Concurrent Analysis of PM2.5, PM10, and TSP During the Spring Season of 2001원문보기
The concentrations of three different fractions of particulate matters including PM2.5, PM10, and TSP were compared between the Asian Dust (AD) and non-AD (NAD) periods during the spring season of 2001. For the purpose of this comparative analysis, the data sets were obtained from four different obs...
The concentrations of three different fractions of particulate matters including PM2.5, PM10, and TSP were compared between the Asian Dust (AD) and non-AD (NAD) periods during the spring season of 2001. For the purpose of this comparative analysis, the data sets were obtained from four different observatory sites located within the city boundary of Seoul that concurrently measure those three fractions of PM at hourly intervals. According to our study, several conclusions can be drawn to describe relationships between the AD event and PM distribution characteristics. First of all, it is apparent that the concentrations of PM are distinctively distinguished between AD and NAD. If the extent of contribution to the AD events are assessed on the quantitative basis, it appears that their magnitude increases on the order of PM2.5, PM10, and TSP. As a result, the increase of PM observed during AD event is dominated by the coarse rather than fine fraction of PM. Moreover, when their relationships were assessed in terms of fractional ratios, it was found that TSP/PM10 ratios were almost constant, regardless of the occurrences of AD. On the other hand, the coarse/fine or TSP/PM2.5 ratios changed dramatically between AD and NAD periods. The results of our analysis cleary distinguishes quantitative role of each PM fraction between AD and NAD period, while suggesting indirectly the possible control of source processes on such relationships.
The concentrations of three different fractions of particulate matters including PM2.5, PM10, and TSP were compared between the Asian Dust (AD) and non-AD (NAD) periods during the spring season of 2001. For the purpose of this comparative analysis, the data sets were obtained from four different observatory sites located within the city boundary of Seoul that concurrently measure those three fractions of PM at hourly intervals. According to our study, several conclusions can be drawn to describe relationships between the AD event and PM distribution characteristics. First of all, it is apparent that the concentrations of PM are distinctively distinguished between AD and NAD. If the extent of contribution to the AD events are assessed on the quantitative basis, it appears that their magnitude increases on the order of PM2.5, PM10, and TSP. As a result, the increase of PM observed during AD event is dominated by the coarse rather than fine fraction of PM. Moreover, when their relationships were assessed in terms of fractional ratios, it was found that TSP/PM10 ratios were almost constant, regardless of the occurrences of AD. On the other hand, the coarse/fine or TSP/PM2.5 ratios changed dramatically between AD and NAD periods. The results of our analysis cleary distinguishes quantitative role of each PM fraction between AD and NAD period, while suggesting indirectly the possible control of source processes on such relationships.
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문제 정의
그 결과의 일부로 2001년 3월 기간동안 서해안의 강화도 하리지역을 중심으로 한 분진 및 수은의 농도와 플럭스 관측(Kim 2002), 서울시군 자동지역을 중심으로 미세 및 조대입자의 성분별 분석 결과의 비 교 (김 기 현 등, in press) 등을 발표하였거나 발표할 예정이다. 그 외에도 본 연구즈:은 ACE -ASIA와 관련된 연구사업의 일환으로, 황사와 연관된 분진의 분포특성을 세밀하게 진단하고 평가하기 위한 연구사업을 수행하였다. 본 연구에서는 서울시에 위치한 총 4개의 측정지점을 중심으로 2901 년 봄철 3개월 기간 동안 PM 성분을 대표하는 PM2.
그 외에도 본 연구즈:은 ACE -ASIA와 관련된 연구사업의 일환으로, 황사와 연관된 분진의 분포특성을 세밀하게 진단하고 평가하기 위한 연구사업을 수행하였다. 본 연구에서는 서울시에 위치한 총 4개의 측정지점을 중심으로 2901 년 봄철 3개월 기간 동안 PM 성분을 대표하는 PM2.5, PM10, TSP를 매시간대 간격으로 동시에 관측한 결과를 분석하였다. 이들 지역으로부터 관측된 자료를 이용하여 황사와 관련된 분진의 분포 특성을 도출하기 위하여, 입경별 분진간의 상대적 또는 절대적인 관계에 대한 의미를 해석하였다.
가설 설정
그러면 황사의 영향이 분진의 농도분포에는 얼마 만큼의 영향을 미칠 것인가? 이러한 질문에 구체적으로 답하기 위해서 다음과 같은 3가지의 질문을 제시할 수 있다. (1) 황사가 시작하고 종료되는 시점의 중간에 발견되는 휴식기간, 즉 간기와 황사가 강하게 발견되는 기간간에 분진의 농도는 얼마 만큼의 차이를 보이는 것일까? (2) 또는 동일한 봄철 기간중 황사가 발견되는 시점과 황사가 발견되지 않는 시점 간에는 얼마만큼의 차이가 나타날까? (3) 마지막으로 황사가 진행중인 기간과 황사가 완전히 종료된 기간간에는 얼마만큼의 차이를 보일까?
그러면 황사의 영향이 분진의 농도분포에는 얼마 만큼의 영향을 미칠 것인가? 이러한 질문에 구체적으로 답하기 위해서 다음과 같은 3가지의 질문을 제시할 수 있다. (1) 황사가 시작하고 종료되는 시점의 중간에 발견되는 휴식기간, 즉 간기와 황사가 강하게 발견되는 기간간에 분진의 농도는 얼마 만큼의 차이를 보이는 것일까? (2) 또는 동일한 봄철 기간중 황사가 발견되는 시점과 황사가 발견되지 않는 시점 간에는 얼마만큼의 차이가 나타날까? (3) 마지막으로 황사가 진행중인 기간과 황사가 완전히 종료된 기간간에는 얼마만큼의 차이를 보일까?
그러면 황사의 영향이 분진의 농도분포에는 얼마 만큼의 영향을 미칠 것인가? 이러한 질문에 구체적으로 답하기 위해서 다음과 같은 3가지의 질문을 제시할 수 있다. (1) 황사가 시작하고 종료되는 시점의 중간에 발견되는 휴식기간, 즉 간기와 황사가 강하게 발견되는 기간간에 분진의 농도는 얼마 만큼의 차이를 보이는 것일까? (2) 또는 동일한 봄철 기간중 황사가 발견되는 시점과 황사가 발견되지 않는 시점 간에는 얼마만큼의 차이가 나타날까? (3) 마지막으로 황사가 진행중인 기간과 황사가 완전히 종료된 기간간에는 얼마만큼의 차이를 보일까?
제안 방법
2001년 3, 4, 5월을 포함하는 봄철기간 ACE- ASIA의 연구와 궤를 같이하여 서울의 4대 측정점을 중심으로 분진의 분포특성을 분석하고, 그 결과를 황사의 영향과 연계하여 해석해 보았다. 본 연구의 결과에 따르면, 입경별 분진의 분포특성은 황사의 발생에 따라 상당한 차이를 보이는 것을 알 수 있다.
봄철 전체 3개월 기간 중 황사가 발견되지 않은 모든 기간을 N-2로 설정하였다. 4월말을 기점으로 황사가 완전하게 종료되었다는 점을 감안하여, 황사가 더 이상 발견되지 않는 5월을 N-3기간으로 설정하였다. 총 92일의 기간동안 최대 2, 208개의 시간대별 자료가 산출될 수 있다는 점을 감안하면, AD는 349 시간(15.
5, PM10, TSP를 매시간대 간격으로 동시에 관측한 결과를 분석하였다. 이들 지역으로부터 관측된 자료를 이용하여 황사와 관련된 분진의 분포 특성을 도출하기 위하여, 입경별 분진간의 상대적 또는 절대적인 관계에 대한 의미를 해석하였다. 이들 자료는 궁극적으로 황사가 진행되는 단계에서, 황사의 구성인자들이 지닌 특성을 규명할 수 있는 여러 가지 단서를 제공할 것으로 기대된다.
이러한 질문들에 구체적인 답변을 가하기 위해 다음과 같이 봄철기간을 4대 구간으로 구분해 보았다. 이와 같이 자료집단간의 특성을 비교하기 위한 기준으로, 우선 황사가 일어난 기간만을 추출하여 AD라고 명명하였다.
입경별 영역간의 농도변화를 보다 체계적으로 비교하기 위하여, 이들간의 비값을 이용한 비교분석을 추가하였다. 그 결과에 따르면, 입경 이 2.
황사가 일어나지 않은 기간은 다음과 같이 3대 기 간으로 구분하였다. 최초로 황사가 목도된 시점에서 종료된 시점의 중간 중간에 황사가 발견되지 않은 기간만을 선별하여 추출한 후, N-1 기간으로 명명하였다. 봄철 전체 3개월 기간 중 황사가 발견되지 않은 모든 기간을 N-2로 설정하였다.
황사와 비황사기간의 차이와 입경의 크기에 따른 차이를 또 다른 관점에서 해석하기 위하여, 그림 2 에는 Coarse-to-Fine (C/F), TSP/PM10, TSP/PM2.5 의 비값을 위의 그림 1에 준하는 방식으로 제시하였다 (참고로 여기서 조대입자의 영역 (즉, coarse fraction)은 PM10과 PM2.5의 차이로 계산하였다). 이러한 비교결과는 그림 1에서 확연하게 구분이 되지 않는 여러 가지 부분들에 대해서도 추가적인 설명을 가능하게 해 준다.
대상 데이터
이들 자료에 대한 세밀한 분석을 위해, 연구의 대상시기는 2001년 봄철 기간 3개월-3, 4, 5월 (3월 1 일부터 5월 31 일)의 92일 기간으로 설정하였다. 따라서 최대 2208개의 시간대별 자료의 확보가 이루어졌다. 해당 연구기간동안 기본적인 기상인자들의 통계량을 각각의 관측점을 중심으로 계산한 결과를 표 1에 제시하였다.
본 연구에서는 현재 전국에 설치된 대기오염 측정망 중 유일하게 PM2.5, PM10, TSP 성분을 동시에 시간대 간격으로 상시관측 중인 서울 시내 4개의 측정지점 -구의동(Station-K), 성수동(-S), 궁동(- G), 남산고층 관측점 (-N)을 연구대상으로 선택하였다. 이들 지점은 서울시를 대표하는 주요 대기 오염관측점으로서 서울시 보건환경연구원에 의해 관리 운영되고 있다.
황사의 발생 이 장기간 지속될 수 있으므로 단순히 횟수의 개념을 떠나 일수를 기준으로 발생 경향을 비교할 경우, 최소 1 일 (1996, 1997년)에서 최대 14일 (1993년), 그 다음으로 13일 (1995, 1998년)의 기간에 걸쳐 황사가 진행된 것으로 기록되고 있다. 본 연구의 대상기간인 2001년 봄철기간은 총 7회와 20일간에 걸쳐 발견된 것으로 나타난다. 이와 같이 전반적인 서울지점의 황사발생 경향과 비교해 볼 때, 2001년 봄 시점은 지난 10여년의 기 간 중에서 (최소한 발생 빈도에 서) 가장 극심 하게 황사가 발현한 기간으로 간주할 수 있다.
본 연구진은 이러한 사업의 한 부분으로 2001년 봄철의 집중관측기간 동안 다양한 연구사업에 참여하였다. 그 결과의 일부로 2001년 3월 기간동안 서해안의 강화도 하리지역을 중심으로 한 분진 및 수은의 농도와 플럭스 관측(Kim 2002), 서울시군 자동지역을 중심으로 미세 및 조대입자의 성분별 분석 결과의 비 교 (김 기 현 등, in press) 등을 발표하였거나 발표할 예정이다.
이들 지점은 서울시를 대표하는 주요 대기 오염관측점으로서 서울시 보건환경연구원에 의해 관리 운영되고 있다. 이들 자료에 대한 세밀한 분석을 위해, 연구의 대상시기는 2001년 봄철 기간 3개월-3, 4, 5월 (3월 1 일부터 5월 31 일)의 92일 기간으로 설정하였다. 따라서 최대 2208개의 시간대별 자료의 확보가 이루어졌다.
이론/모형
본 연구에서는 PM 성분들의 분석을 위해, |3선 흡수방식을 사용하였다. 본 분석방식의 기기적 및 분석 학적 특성을 기술하면 다음과 같다.
참고로 이러한 내역을 보다 자세히 보면, 3월 기간 중 4회 11 일, 4월 기간 중 3회 9일, 5월 기간 중 전무한 것으로 나타났다 (따라서 5월은 3, 4월에 대한 비교 대상 기간으로서 연구기간에 포함 함). 이와 같이 황사의 발생과 관련된 세부적인 구분은 황사의 발현 강도 및 시간대별 발생현황을 조사한 기상청의 DB를 활용하였다. 이 기간 중 황사의 발생이 워낙 현저하게 이루어졌다는 점을 감안하면, 본 연구가 진행된 시점은 황사와 관련된 여러 가지 조건을 상세하게 규명할 수 있는 가장 좋은 기회를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.
성능/효과
그림 1의 비교결과에 의하면, 여러 가지 사실을 구체적으로 확인할 수 있다. (1) 우선 황사와 비 황사 기간에 각 PM의 농도변화는 총량이 큰 성분일수록 크게 나타난다는 점 이다. 즉 PM2.
즉 비 황사 기간에 비해 황사기간에는 이들 비값이 거의 두 배 이상 또는 그에 가까운 수준으로 증가하는 것을 알 수 있다. (2) TSP/PM10의 비값은 일관성있게 모든 측정점에서 황사와 비황사로 설정한 여러 가지 기간 대들과의 차이를 전혀 반영할 수 없는 상황으로 나타난다. (3) 가장 높은 관측점에 해당하는 N 지점은 여전히 N-그룹군간의 비값에서 차이를 발견하기가 어렵다.
따라서 황사기간에는 평상시보다 미세분진의 유입은 미미한데 반해, 조대입자의 유입량이 현저하게 늘어난다고 결론지을 수 있겠다. (2) 황사가 직접적으로 관측된 AD기간과 3개의 비 AD기간에 관측된 PM 성분의 농도간에는 현격한 차이가 존재한다는 점을 간과할 수 없다. 특히 N-1 으로 명명된 간기는 나머지 두 개의 N-자료군보다 미미할 정도로 큰 반면, 이들 3개의 N-집단의 농도는 AD기간의 농도와는 명료하게 구분이 된다.
(2) TSP/PM10의 비값은 일관성있게 모든 측정점에서 황사와 비황사로 설정한 여러 가지 기간 대들과의 차이를 전혀 반영할 수 없는 상황으로 나타난다. (3) 가장 높은 관측점에 해당하는 N 지점은 여전히 N-그룹군간의 비값에서 차이를 발견하기가 어렵다. 전반적으로 대부분의 관측점에서 유사한 경향성을 보이는데 반해, S측정점에서 특이한 경향이 나타나는 현상을 정확하게 설명하기는 어 렵다.
따라서 황사가 실질적으로 나타나는 기간과 그 틈새기간 사이에도 분진의 농도차이가 실질적으로 존재한다는 결론을 도출할 수 있다. (3) 그리고 비록 미미한 차이이기는 하지만, 간기 (N-1), 전체 연구기 간 중 모든 비 황사 기간(N-2), 황사가 완전히 종료된 시점 (N-3) 간에는 미미하나마 서열이 형성되는 것을 확인할 수 있다. 이러한 서열은 TSP에서 뚜렷한 반면, PM2.
본 연구의 결과에 따르면, 입경별 분진의 분포특성은 황사의 발생에 따라 상당한 차이를 보이는 것을 알 수 있다. 가장 현저한 차이는 시간대별로 황사와 비 황사를 구분한 자료에서, 황사시와 비황사시에는 분진의 농도차가 구조적으로 크게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 이를 보다 세부적으로 보면, 주로 황사 기간에는 조대입자 영역의 농도가 현격하게 증가하는 반면, 미세입자 영역의 증가는 절대적인 관점에서 미미한 수준이라는 것을 알 수 있다.
그 결과에 따르면, 입경 이 2.5에서 10에 이르는 조대영역과 10을 초과하는 조대영역 간에는 황사와 비황사기간을 식별하는 것이 불가능할 정도로 뚜렷하게 그 비값에서 일관성이 유지되는 것으로 나타났다. 반면 조대입자에 대비한 미세입자의 관계는 황사의 발생유무에 따라 큰 차이를 보이는 것으로 나타났다.
특히 N-1 으로 명명된 간기는 나머지 두 개의 N-자료군보다 미미할 정도로 큰 반면, 이들 3개의 N-집단의 농도는 AD기간의 농도와는 명료하게 구분이 된다. 따라서 황사가 실질적으로 나타나는 기간과 그 틈새기간 사이에도 분진의 농도차이가 실질적으로 존재한다는 결론을 도출할 수 있다. (3) 그리고 비록 미미한 차이이기는 하지만, 간기 (N-1), 전체 연구기 간 중 모든 비 황사 기간(N-2), 황사가 완전히 종료된 시점 (N-3) 간에는 미미하나마 서열이 형성되는 것을 확인할 수 있다.
황사의 영향과 연계하여 해석해 보았다. 본 연구의 결과에 따르면, 입경별 분진의 분포특성은 황사의 발생에 따라 상당한 차이를 보이는 것을 알 수 있다. 가장 현저한 차이는 시간대별로 황사와 비 황사를 구분한 자료에서, 황사시와 비황사시에는 분진의 농도차가 구조적으로 크게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
지상점에서 대체로 2mL에 근접하는 평균값을 보인 반면, N 지점에서는 3msT을 초과하는 평균치를 보여 주었다. 이와 같은 지정학적 특성들은 PM 또는 기 타 주요 오염 성분들의 분포특성에도 상당 수준 영향을 미치는 것으로 나타났다.
(1) 우선 황사와 비 황사 기간에 각 PM의 농도변화는 총량이 큰 성분일수록 크게 나타난다는 점 이다. 즉 PM2.5의 변화는 미미한데 반해, PM10에서 TSP로 갈수록 그 변화의 규모가 커지는 것을 확인할 수 있다. 이러한 변화는 모든 관측점에서 일관성있게 확인이 된다.
이러한 특성은 풍속의 변화경향에서도 어느 정도 유지된다. 지상점에서 대체로 2mL에 근접하는 평균값을 보인 반면, N 지점에서는 3msT을 초과하는 평균치를 보여 주었다. 이와 같은 지정학적 특성들은 PM 또는 기 타 주요 오염 성분들의 분포특성에도 상당 수준 영향을 미치는 것으로 나타났다.
4월말을 기점으로 황사가 완전하게 종료되었다는 점을 감안하여, 황사가 더 이상 발견되지 않는 5월을 N-3기간으로 설정하였다. 총 92일의 기간동안 최대 2, 208개의 시간대별 자료가 산출될 수 있다는 점을 감안하면, AD는 349 시간(15.8%), N-2는 1, 859시간(84.2%)로 구분된다. 다시 N-2의 일부분이랄 수 있는 N-1 은 944시간(42.
후속연구
그 결과의 일부로 2001년 3월 기간동안 서해안의 강화도 하리지역을 중심으로 한 분진 및 수은의 농도와 플럭스 관측(Kim 2002), 서울시군 자동지역을 중심으로 미세 및 조대입자의 성분별 분석 결과의 비 교 (김 기 현 등, in press) 등을 발표하였거나 발표할 예정이다. 그 외에도 본 연구즈:은 ACE -ASIA와 관련된 연구사업의 일환으로, 황사와 연관된 분진의 분포특성을 세밀하게 진단하고 평가하기 위한 연구사업을 수행하였다.
이와 같이 황사의 발생과 관련된 세부적인 구분은 황사의 발현 강도 및 시간대별 발생현황을 조사한 기상청의 DB를 활용하였다. 이 기간 중 황사의 발생이 워낙 현저하게 이루어졌다는 점을 감안하면, 본 연구가 진행된 시점은 황사와 관련된 여러 가지 조건을 상세하게 규명할 수 있는 가장 좋은 기회를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.
이들 지역으로부터 관측된 자료를 이용하여 황사와 관련된 분진의 분포 특성을 도출하기 위하여, 입경별 분진간의 상대적 또는 절대적인 관계에 대한 의미를 해석하였다. 이들 자료는 궁극적으로 황사가 진행되는 단계에서, 황사의 구성인자들이 지닌 특성을 규명할 수 있는 여러 가지 단서를 제공할 것으로 기대된다. 본 연구진은 이와 같은 연구목적에 부합하기 위하여, “황사의 유입과 분진의 크기별 분포는 실질적으로 어떠한 관계를 형성하는가?''라는 관점에서 여러 가지 수치적인 분석을 시도하였다.
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