[논문]강릉과 원주지역의 야간 오존 변화에 대한 분석

김현숙; 이현진; 김재환

강릉과 원주지역의 야간 오존 변화에 대한 분석
The Analysis of the Nocturnal Ozone Variations over Kangreung and Wonju 원문보기

한국지구과학회지 = Journal of the Korean Earth Science Society, v.25 no.6, 2004년, pp.474 - 483

김현숙 (이화여자대학교 과학교육과) , 이현진 (부산대학교 대기환경학과) , 김재환 (부산대학교 대기환경학과)

초록
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이 논문은 강릉과 원주지방의 오존의 일변화의 특성을 분석하였다. 원주지방의 오존의 일변화는 대도시 지역에서 관측되어지는 오후에 최대치, 일출부근에 최소치를 보여주고 있다. 그러나 강릉지방의 일변화에서는 오후에 최대치를 보여주나 새벽 3시경이 2차 극값이 관측되어졌다. 3차 극값의 경우 오후 최대 값보다 높은 값이 종종 관측되어졌다. 이와 같은 새벽에 발생하는 오존 상승은 일년 내내 관측되어졌으나 그 양과 범위에서 봄철이 가장 뚜렷하였다. 이와 같은 새벽 오존 상승에 대한 원인을 알아보기 위하여 기상인자와 오존의 상관관계와, HYSPLIT모델을 이용하여 공기의 기원을 조사하였다. 새벽 오존 농도 상승이 나타나는 날은 바람이 강하고 온도가 상대적으로 높은 날이었다. 새벽오존 농도 상승이 일어날 때 모델을 이용한 공기의 기원을 분석해본 결과 서풍이 불면서 하강운동이 동반한 경우였다. 이러한 분석결과는 편서풍이 강하게 부는 봄철에 대도시가 밀접한 강릉의 서쪽 지역에서 이동되어온 오존의 영향에 의한 것으로 사료되어진다. 이런 경우 밤에도 바람이 강하게 불어 강력한 혼합현상에 의해 오존이 풍부한 대기 상층의공기가 하부로 유입되면서 지표 부근 오존의 양이 증가한 것으로 보인다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper analyzed the characteristics of daily ozone variations over Kangreung and Wonju. It was found that the diurnal cycle of ozone over Wonju has a primary ozone peak in the afternoon and a minimum around sunrise, which is a typical diurnal ozone cycle observable in the urban area. However, the cycle over Kangreung shows a primary peak in the afternoon and secondary peak around 3 a.m. The amounts of ozone in the secondary peak is occasionally higher than that in the primary peak. This nocturnal ozone peak is frequently observed year-round, and the highest frequency and extent are observed in spring. The possible cause of this nocturnal ozone increase was investigated using meteorological parameters and the HYSPLIT trajectory model. It was found that the nocturnal ozone peak is highly correlated with strong wind speed, which has led to positive temperature anomaly. The trajectory model revealed that when the secondary peak occurred, the air was originated from the west and a sinking motion subsequently followed. These findings suggested that when the westerly wind is strongest in spring, the polluted airs from urban areas are transported to the upper boundary layer over Kangreung area. In the case of strong wind during the night, nocturnal ozone peaks were produced by active vertical mixing between lower boundary and upper boundary layers.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

Table 1은 96년부터 98년까지 강릉에서 발생한 야간 오존농도 상승의 발생 빈도를 나타낸 것이다. 96년 가을부터 98년 봄까지 야간의 오존 농도 변화가 비교적 컸으므로 본 연구에서는 야간의 오존 농도 변화가 크면서 계절 변화를 살펴 볼 수 있도록 1997년 일년 동안의 자료를 기상인자와 비교해보았다. 지표의 기상관측 자료는 결측이 거의 없었으나 온도와 상대습도는 3시간 간격, 풍속과 풍향은 매시간 마다 측정되었으므로 오존농도와 기상인자들 간의 상관관계를 매 시간 비교할 수는 없었다.
또한 상층의 기상 인자가 야간의 고농도 오존에 미치는 영향을 알아본 후 사례 분석을 통해 야간의 오존 농도 상승의 원인에 대해 알아보도록 하겠다.
상승하고 있다. 본 연구에서는 1996년부터 1998년까지 3년 동안 강릉과 원주의 지표 오존 농도를 비교하여 야간 오존농도 상승의 경향을 분석하고 기상인자가 미치는 영향을 분석하여 야간 오존 농도상승의 원인을 밝히고자 한다.
본 연구의 목적인 야간의 오존 농도 상승을 알아보기 위한 야간 오존 농도 상승일은 지표에서 최저농도가 가장 많이 발생하는 시간대인 밤 9시부터 새벽 6시까지 9시간 동안의 최고 농도와 최저 농도의 차이가 월평균 차이보다 큰 날로 정의하였다. 그러나 10개의 관측값 중에서 60% 이상 결측이 있었던 날은 대표값으로 사용할 수 없으므로 분석에서 제외하였다.
분석 대상에서 제외하였다. 봄철을 대표하는 4월 중에 배경농도인 40ppb 이상의 2차 최고농도가 나타난 날의 시간별 온도변화에 따른 오존농도의 변화를 분석해 보았다. 온도 측정이 3시간 간격으로 이루어졌으므로 온도변화에 따른 21시와 24시, 24시와 3 시, 3시와 6시의 오존농도의 변화를 분석하였다.
그러므로 야간의 고농도 오존은 소멸반응의 지연이 주원인이 아닌 것으로 사료된다. 야간 고농도 오존의 다른 원인을 살펴보기 위해 오존과 기상인자와의 관계를 살펴보았다.
이러한 자료를 토대로 본문에서는 강릉과 원주의 계절별, 일별 오존 농도 변화를 살펴본 후 야간의 고농도 오존이 나타날 때 지표 기상인자를 분석해 보겠다. 또한 상층의 기상 인자가 야간의 고농도 오존에 미치는 영향을 알아본 후 사례 분석을 통해 야간의 오존 농도 상승의 원인에 대해 알아보도록 하겠다.
지표에서 야간의 고농도 오존과 대류권 상층부의 바람의 관계를 알아보기 위하여 오산 공군기지에서 관측한 상층 기상자료를 분석하였다. 강릉과 오산은 지역적으로 멀리 떨어져 있으며 기상패턴이 다르지만 상층은 지표부근의 영향이 매우 적으므로 850hPa(약 1.

제안 방법

그러나 10개의 관측값 중에서 60% 이상 결측이 있었던 날은 대표값으로 사용할 수 없으므로 분석에서 제외하였다. 3년 동안의 평균 결측률은 7%로써 분석을 하기에는 무리가 없었으나 월별로 편차가 있으므로 야간의 오존 농도 상승일을 분석대상 일수에 대한 비율로 나타내었다. Table 1은 96년부터 98년까지 강릉에서 발생한 야간 오존농도 상승의 발생 빈도를 나타낸 것이다.
상층 기상자료를 분석하였다. 강릉과 오산은 지역적으로 멀리 떨어져 있으며 기상패턴이 다르지만 상층은 지표부근의 영향이 매우 적으므로 850hPa(약 1.4 km), 700hPa(약 3 km)에서의 풍향과 풍속이 야간 오존 농도 상승에 미치는 영향을 분석하였다. 상층의 풍향과 풍속은 6시간 간격으로 측정된 것이어서 밤 9시와 다음날 새벽 3시의 자료를 비교분석 하였다.
강릉에서 야간에 고농도의 오존 상승이 나타난 날의 지표면 기상 상태, 상층의 온도와 풍속을 살펴보았다. 또한 비슷한 위도대에 위치한 원주에서 발생한 오존 농도 상승과도 비교해보았다.
강릉에서 발생한 야간 오존농도 상승이 상층 풍속과 관계가 있다면 상층 풍속을 측정한 오산 근처의 원주에서도 오존 농도 상승이 일어나야 한다. 그러므로 3월부터 10월까지의 기간 중 강릉뿐 아니라 원주에서도 뚜렷한 농도의 상승이 있었던 날들에 대해 850 hPa, 700hPa에서의 풍속을 분석해 보았다. 강릉과 원주 두 지역에서 동시에 야간 오존 농도 상승이 있었던 날은 3월에 8일, 10월에 6일간이었는데 이 날들은 모두 850 hPa, 700hPa에서 야간에 풍속이 증가한 날들이었으며 4월에는 5일 중 4일이, 5월에는 4일 모두가 상층의 강한 풍속과 일치하는 것으로 나타났다.
원주에서는 야간에 오존 농도 상승이 자주 발생하지 않았지만 최저농도 관측된 시각 이후에 20ppb 이상의 상승을 보이는 날이 드물게 관측되었다. 그러므로 사례 분석에서는 강릉의 야간 오존 농도 상승이 고농도로 발생한 날 중에서 원주에서도 오존농도의 상승이 있었던 기간을 사례 1로, 강릉에서는 농도의 상승이 일어났지만 원주에서는 발생하지 않은 날을 사례 2로 선택하였다.
또한 비슷한 위도대에 위치한 원주에서 발생한 오존 농도 상승과도 비교해보았다. 원주에서는 야간에 오존 농도 상승이 자주 발생하지 않았지만 최저농도 관측된 시각 이후에 20ppb 이상의 상승을 보이는 날이 드물게 관측되었다.
먼저 강릉과 원주의 지표 기상인자들을 살펴보았다. 강릉의 경우 15시에 나타나는 일 최고 연평균 기온은 원주에서와 비슷하지만 일 최저 연평균 기온은 10.
사례기간 중의 매시간 평균 오존농도와 풍속, 온도와의 관계를 살펴보았다. 3일 밤부터 6일 새벽까지 강릉에서는 낮에도 동풍계열인 해풍의 발생이 없이 남서풍이 평균 6~7 m/s로 강하게 불었다.
4 km), 700hPa(약 3 km)에서의 풍향과 풍속이 야간 오존 농도 상승에 미치는 영향을 분석하였다. 상층의 풍향과 풍속은 6시간 간격으로 측정된 것이어서 밤 9시와 다음날 새벽 3시의 자료를 비교분석 하였다. 강릉에서 야간의 고농도 오존이 발생하였을 때 상층의 풍속이 서풍계열(280°~320°)이며 오후 3시보다 밤 9시나 새벽 3시에 강하게 나타났다.
봄철을 대표하는 4월 중에 배경농도인 40ppb 이상의 2차 최고농도가 나타난 날의 시간별 온도변화에 따른 오존농도의 변화를 분석해 보았다. 온도 측정이 3시간 간격으로 이루어졌으므로 온도변화에 따른 21시와 24시, 24시와 3 시, 3시와 6시의 오존농도의 변화를 분석하였다. 지표면 온도와 오존농도는 직접적인 상관이 나타나지 않았으나 온도의 변화에 따른 오존 농도의 변화는 대체로 높은 상관관계를 나타냈다(r = 0.

대상 데이터

나타난다. 그러나 본 연구의 목적은 야간에 발생하는 고농도 오존의 원인을 알아보는 것이므로 야간에 오존의 농도가 증가하는 날만을 분석 대상으로 하였다. 앞서 언급한 96년부터 98년까지 강릉에서 발생한 야간의 오존농도 상승의 발생 빈도를 살펴보면 계절에 따라 차이가 없이 꾸준히 발생하고 있다.
또한 지표에서 오존과 기상인자와의 관계를 알아보기 위해 강릉(37° 45' N)과 원주(37° 20' N)의 기상청에서 관측한 기상자료를 사용하였다. 상층의 기상 자료는 오산 공군기지에서 관측한 로윈존데 자료를 사용하였다.
본 연구에서는 강릉과 원주의 지표 오존 특성을 분석하기 위해 환경부 및 지방자치단체에서 운영하고있는 측정소에서 관측된 1시간마다 평균한 자료를 사용하였다. 또한 지표에서 오존과 기상인자와의 관계를 알아보기 위해 강릉(37° 45' N)과 원주(37° 20' N)의 기상청에서 관측한 기상자료를 사용하였다.
HYSPLIT 모델은 공기계의 복잡한 분산과 침적을 고려해 지나온 경로 (backward trajectory)와 앞으로 지나갈 경로(forward trajectory)< 알 수 있다. 본 연구에서는 야간의 오존 농도 상승이 나타나는 새벽 4시에 100m 상공에서 등온위(isentropic) 조건으로 24시간 전의 경로를 추정하는데 사용하였다. 그러나 격자 간격이 180kmX 180km이므로 태백산맥의 영향이 뚜렷하게 보이지 않았다.
또한 지표에서 오존과 기상인자와의 관계를 알아보기 위해 강릉(37° 45' N)과 원주(37° 20' N)의 기상청에서 관측한 기상자료를 사용하였다. 상층의 기상 자료는 오산 공군기지에서 관측한 로윈존데 자료를 사용하였다. 오산과 포항은 본 연구의 대상지점인 강릉과 원주와 많이 떨어져 있으나 강릉과 원주 주변의 종관 기상장 분포를 알아보기 위해 사용하였다.
상층의 기상 자료는 오산 공군기지에서 관측한 로윈존데 자료를 사용하였다. 오산과 포항은 본 연구의 대상지점인 강릉과 원주와 많이 떨어져 있으나 강릉과 원주 주변의 종관 기상장 분포를 알아보기 위해 사용하였다.

이론/모형

대기 중 고농도의 오존이 존재하므로 풍속이 약함에도 불구하고 오존의 농도가 높게 나타나는 것으로 사료된다. 공기의 이동 경로를 좀 더 자세히 살펴보기 위해 사례 1처럼 HYSPLIT 모델을 사용하였다(Fig. 6). 사례 2의 경우 사례 1보다 이동 경로도 짧게 나타나며 한반도 내의 오염물질의 영향을 받는 것을 보여준다.
그러나 이 기간에 일 중 오존농도와 온도의 상관관계가 높지 않게 나타난 반면, 오존농도와 풍속이 높은 상관을 보이는 것은 이 기간 중 오존이 광화학 반응에 의해 생성된 것이 아님을 의미하는 것으로 일 중 계속 되었던 강한 바람으로 인한 대기의 연직 혼합에 의해 이동되어 왔을 것으로 사료된다. 공기의 이동 경로를 좀 더 자세히 알아보기 위해서 HYSPLIT 모델을 사용하였다(Fig. 4). 4일과 5일, 6일 모두 야간의 고농도의 오존이 발생할 때 나타나는 편서풍의 이동경로를 가지고 있다.
특히 오산의 상층 기상 관측 자료는 6시간 간격으로 하루에 4회만 관측이 이루어져 분석 대상 시간인 밤 9시부터 다음 날 새벽 6시 사이 단 2회의 측정값만을 사용할 수 있었다. 사례 분석시 공기의 이동 경로를 알아보고 오존의 근원 지역을 알아보기 위해 Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory (HYSPLIT) 모델을 사용하였다. HYSPLIT 모델은 공기계의 복잡한 분산과 침적을 고려해 지나온 경로 (backward trajectory)와 앞으로 지나갈 경로(forward trajectory)< 알 수 있다.

성능/효과

또한 봄에 고농도 대류권 오존의 발생으로 인해 야간 오존 농도의 최대값과 최소값 차이가 봄에 가장 크게 나타나는 것으로 사료된다. 3, 4, 5월 동안 야간에 오존의 최고농도는 월 평균 농도보다 높은 46-51 ppb이었으며 60 ppb 이상인 날도 16일이나 되었다. 그러나 1, 2월과 11, 12월에는 상승한 2차 최고농도가 대부분 20 ppb 이하의 낮은 값을 보였으며 40 ppb 이상인 날은 4개월 동안 단 2번에 불과하였다.
그러므로 3월부터 10월까지의 기간 중 강릉뿐 아니라 원주에서도 뚜렷한 농도의 상승이 있었던 날들에 대해 850 hPa, 700hPa에서의 풍속을 분석해 보았다. 강릉과 원주 두 지역에서 동시에 야간 오존 농도 상승이 있었던 날은 3월에 8일, 10월에 6일간이었는데 이 날들은 모두 850 hPa, 700hPa에서 야간에 풍속이 증가한 날들이었으며 4월에는 5일 중 4일이, 5월에는 4일 모두가 상층의 강한 풍속과 일치하는 것으로 나타났다. 또한 3월부터 10월까지 원주에서 야간 오존농도 상승이 일어났던 날은 모두 강릉에서도 상승이 일어났으며 특히 상층의 바람이 강하면서 밤 9시나 새벽 3시에 풍속이 증가한 날은 모두 강릉의 2차 최고농도가 전일 강릉이나 원주에서 나타난 1차 최고농도 보다 높은 날이었다.
강릉과 원주에서는 주간의 1차 최고농도가 60~ 80pph로 높게 발생하였으며 원주는 15시에 최고, 일출 직전 최저라는 전형적인 광화학적 오존의 일변화패턴을 나타냈다(Fig. 5). 이 기간 중 강릉에서는 야간의 오존농도 상승이 매우 크게 발생하였으며 21일 새벽 2차 최고농도는 70ppb 이상으로 높아졌다.
강릉의 야간 오존농도 상승은 연중 높은 비율로 발생하였으며 강수일에도 비교적 높은 농도 상승이 일어났다. 야간의 오존농도 상승은 야간의 온도변화, 풍속과 높은 상관을 보였다.
본 연구의 관측 지점인 강릉과 원주의 지표면 오존 농도의 일변화를 살펴보면 야간에 지표 오존의 농도가 상승하고 있다. 본 연구에서는 1996년부터 1998년까지 3년 동안 강릉과 원주의 지표 오존 농도를 비교하여 야간 오존농도 상승의 경향을 분석하고 기상인자가 미치는 영향을 분석하여 야간 오존 농도상승의 원인을 밝히고자 한다.
6). 사례 2의 경우 사례 1보다 이동 경로도 짧게 나타나며 한반도 내의 오염물질의 영향을 받는 것을 보여준다. 또한 19일, 20일 21일 모두 상층에서부터 공기가 유입되는 궤적을 보여주고 있다.
그러나 야간의 온도 변화에 따른 오존 농도의 변화는 고농도가 많이 관측된 3, 4월에만 높은 상관을 보이므로 연중 발생하는 오존농도 상승의 근본적인 원인으로 해석될 수 없다. 야간의 고농도 상승이 많은 4월과 10월의 농도 상승일 중에서 상승한 최고농도가 40ppb 이상인 날에 대해 지표의 풍속과 1시간 이후에 측정된 오존농도와의 상관관계를 분석해본 결과, 4월에 지표 풍속과 오존농도의 상관 계수는 0.41 인 데 반해 지표 풍속과 1시간이후의 오존농도와의 상관계수는 0.52로 상관이 더 높게 나타났다. 2시간 혹은 그 이상의 시차가 발생하는 경우도 있으나 일반적으로는 1시간 이후 측정된 오존과 가장 높은 상관을 보였는데 대기의 혼합에 시간이 요구되어지기 때문에 지표 풍속과 시간이 지난 이후의 오존 농도와 상관관계가 높은 것으로 사료된다.
7m/s로 증가한 3일 밤에는 원주에서도 20ppb 정도로 적은 양의 오존농도 상승이 발생하였다. 온도의 변화에 따른 오존농도의 변화는 상관관계가 나타나지 않았으나 야간의 풍속과 1시간 이후의 오존농도는 상관계수 0.47로 나타났고, 하루 중 풍속과 오존의 상관은 r = 0.67로 매우 높게 나타났다. 광화학 반응에 의한 오존의 발생은 바람이 약하고 온도가 높을 때 활발하게 일어난다는 Weston 등(1989)의 연구결과와 일치한다.
온도 측정이 3시간 간격으로 이루어졌으므로 온도변화에 따른 21시와 24시, 24시와 3 시, 3시와 6시의 오존농도의 변화를 분석하였다. 지표면 온도와 오존농도는 직접적인 상관이 나타나지 않았으나 온도의 변화에 따른 오존 농도의 변화는 대체로 높은 상관관계를 나타냈다(r = 0.57). 그러나 야간의 온도 변화에 따른 오존 농도의 변화는 고농도가 많이 관측된 3, 4월에만 높은 상관을 보이므로 연중 발생하는 오존농도 상승의 근본적인 원인으로 해석될 수 없다.
또한 19일, 20일 21일 모두 상층에서부터 공기가 유입되는 궤적을 보여주고 있다. 특히 이 기간 중에는 새벽에 지표면 온도의 일시적인 상승이 일어났는데 온도의 상승 시간과 오존 농도 상승 시간이 일치하였으며 (Fig. 7), 온도의 변화와 오존 농도의 상관계수가 0.55로 비교적 높았다. 이와 같이 강릉에서 야간의 온도 상승은 고농도 오존의 발생과 높은 상관관계를 가지고 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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