[국내논문]2006년 4월 안면도에서 발생한 황사, 안개, 청명, 구름 사례에 대한 에어러솔 특성 분석 A case study of aerosol features of Asian dust, fog, clear sky, and cloud at Anmyeon Island in April 2006원문보기
The aerosol characteristics in terms of 4 different cases (Asian dust, fog, clear sky and cloud) which had happened at Anmyeon Island in April 2006 were studied using various measurements such as the Micro Pulse Lidar (MPL), sunphotometer, $\beta$-ray $PM_{10}$ Analyzer, anemos...
The aerosol characteristics in terms of 4 different cases (Asian dust, fog, clear sky and cloud) which had happened at Anmyeon Island in April 2006 were studied using various measurements such as the Micro Pulse Lidar (MPL), sunphotometer, $\beta$-ray $PM_{10}$ Analyzer, anemoscope and anemometer. In addition, synoptic charts, back trajectory analyses and satellite images were also used to help characterize the aerosol events. The aerosol optical properties were featured by the Aerosol Optical Depth (AOD) and ${\AA}ngstr\ddot{o}m$ exponent which were estimated by the sunphotometer. When Anmyeon Island was dominated by the Asian dust, the AOD was sharply increased as seven times as a yearly average of it (0.35). As compared with a yearly average of the ${\AA}ngstr\ddot{o}m$ exponent of 0.97, the ${\AA}ngstr\ddot{o}m$ exponent of a dust day was significantly low (0.099). In addition, $PM_{10}$ mass concentration showed an extremely high record. The maximum concentration reached $1790.5{\mu}gm^{-3}$ on 8 April 2006. The maximum mass concentration was shown with delay when the wind speed of $0ms^{-1}$ was observed. It was also found that a satellite image of the MODIS-RGB had a good agreement with the results of those measurements. It was shown that the MPL was able to describe effectively the vertical distribution of aerosol for all the cases. In particular, the MPL evidently captured the aerosol layer before the cloud observation. The aerosol layer was similarly described by the AOD. On a clear sky day, the AOD had not only a very low value (0.054) but also a feature of homogeneity.
The aerosol characteristics in terms of 4 different cases (Asian dust, fog, clear sky and cloud) which had happened at Anmyeon Island in April 2006 were studied using various measurements such as the Micro Pulse Lidar (MPL), sunphotometer, $\beta$-ray $PM_{10}$ Analyzer, anemoscope and anemometer. In addition, synoptic charts, back trajectory analyses and satellite images were also used to help characterize the aerosol events. The aerosol optical properties were featured by the Aerosol Optical Depth (AOD) and ${\AA}ngstr\ddot{o}m$ exponent which were estimated by the sunphotometer. When Anmyeon Island was dominated by the Asian dust, the AOD was sharply increased as seven times as a yearly average of it (0.35). As compared with a yearly average of the ${\AA}ngstr\ddot{o}m$ exponent of 0.97, the ${\AA}ngstr\ddot{o}m$ exponent of a dust day was significantly low (0.099). In addition, $PM_{10}$ mass concentration showed an extremely high record. The maximum concentration reached $1790.5{\mu}gm^{-3}$ on 8 April 2006. The maximum mass concentration was shown with delay when the wind speed of $0ms^{-1}$ was observed. It was also found that a satellite image of the MODIS-RGB had a good agreement with the results of those measurements. It was shown that the MPL was able to describe effectively the vertical distribution of aerosol for all the cases. In particular, the MPL evidently captured the aerosol layer before the cloud observation. The aerosol layer was similarly described by the AOD. On a clear sky day, the AOD had not only a very low value (0.054) but also a feature of homogeneity.
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문제 정의
본 연구에서는 2006년 4월 안면도에서 발생한 황사, 안개, 구름, 청명일 등 4 가지 사례에 대한 에어러솔의 특성을 조사하였다. 연직 방향의 에어러솔 분포를 관측 하기 위하여 에어러솔 라이다를 사용하였으며, 에어러 솔의 광학적 특성을 나타내는 대기광학깊이와 옹스트롬 지수를 산출하기 위하여 파장별 일사계를 이용하였다.
PM10 질량 농도를 근거로 하여 황사의 강도를 객관적이고 정량적으로 분석하였다. 또한 일기도와 40 m 타워에 설치된 풍향․풍속, 위성 영상, 역궤적 분석 자료 등을 이용하여 분석 결과의 신뢰성을 높이고자 하였다.
본 연구에서는 안면도에서 발생한 황사, 안개, 청명, 구름 사례에 대하여 다수의 장비에서 관측된 결과를 이용하여 에어러솔의 특성을 조사하였다. 에어러솔의 연직 분포 특성 파악을 위해 MPL에서 산출된 후방산란신호를 이용하였고, 파장별 일사계에서 산출된 에어러솔 광학깊이와 옹스트롬 지수를 이용하여 에어러솔 광학 특성을 분석하였다.
또한 기상현상에 크게 의존하지 않고 24시간 연속적으로 에어러솔의 농도를 정량적으로 제공하는 β-ray PM10 질량 농도 측정기가 사용되었다. 본 연구에서는 종관 기상 패턴의 차이로 인한 에어러솔의 특성 변화를 최소화하기 위하여 2006년 4월에 발생한 사례만을 선택적으로 분석하였고, 일기도, 위성영상, 풍향 및 풍속 그리고 AERONET에서 제공된 역궤적 분석을 통해 에어러솔 특성과의 관계를 조사하였다.
, 1997). 이와 같은 많은 불확실성으로 인해 기존의 많은 연구들은 에어러솔 관측을 기반으로 하여 정량적으로 그 특성을 규명하고자 하였다.
제안 방법
본 연구에서는 2006년 4월 안면도에서 발생한 황사, 안개, 구름, 청명일 등 4 가지 사례에 대한 에어러솔의 특성을 조사하였다. 연직 방향의 에어러솔 분포를 관측 하기 위하여 에어러솔 라이다를 사용하였으며, 에어러 솔의 광학적 특성을 나타내는 대기광학깊이와 옹스트롬 지수를 산출하기 위하여 파장별 일사계를 이용하였다. PM10 질량 농도를 근거로 하여 황사의 강도를 객관적이고 정량적으로 분석하였다.
연직 방향의 에어러솔 분포를 관측 하기 위하여 에어러솔 라이다를 사용하였으며, 에어러 솔의 광학적 특성을 나타내는 대기광학깊이와 옹스트롬 지수를 산출하기 위하여 파장별 일사계를 이용하였다. PM10 질량 농도를 근거로 하여 황사의 강도를 객관적이고 정량적으로 분석하였다. 또한 일기도와 40 m 타워에 설치된 풍향․풍속, 위성 영상, 역궤적 분석 자료 등을 이용하여 분석 결과의 신뢰성을 높이고자 하였다.
그리고 구름에 의한 영향을 배제하기 위하여 구름제거 알고리즘을 사용하였고, 이 알고리즘은 세계기상기구의 지표 복사 네트워크(Baseline Surface Radiation Network)에서 개발되어 미 항공우주국(NASA)의 AERONET (Aerosol Robotic Network)에서 사용하고 있는 방법과 동일한 방법이다. 이 알고리즘은 연속적으로 관측된 값들 중 큰 변동을 갖는 자료를 제거하고 선택된 자료의 일 변동에서 표준편차 기준을 적용하여 만족하지 않는 자료를 제거하는 방법을 사용한다. 또한 이 알고리즘에는 자료 질의 검정, 삼중항 안정도 기준(Triplet stability criteria), 평활도 기준 (Smoothness criteria), 주간 안정도 평가(Diurnal stability check), 3표준편차 기준(Three standard deviation criteria; 3σ) 등의 자료 질 관리 과정이 포함된다 (Sminov et al.
-ray PM10 질량 농도 측정기의 장점은 C14소스를 사용한 베타선 감쇠원리를 사용하기 때문에 상당히 높은 측정 안정도를 가진다는 것이다. 본 연구에서는 10분 평균 PM10 질량 농도를 분석에 사용하였다.
본 연구에서는 안면도에서 발생한 황사, 안개, 청명, 구름 사례에 대하여 다수의 장비에서 관측된 결과를 이용하여 에어러솔의 특성을 조사하였다. 에어러솔의 연직 분포 특성 파악을 위해 MPL에서 산출된 후방산란신호를 이용하였고, 파장별 일사계에서 산출된 에어러솔 광학깊이와 옹스트롬 지수를 이용하여 에어러솔 광학 특성을 분석하였다. 또한 기상현상에 크게 의존하지 않고 24시간 연속적으로 에어러솔의 농도를 정량적으로 제공하는 β-ray PM10 질량 농도 측정기가 사용되었다.
에어러솔의 연직 분포 특성 파악을 위해 MPL에서 산출된 후방산란신호를 이용하였고, 파장별 일사계에서 산출된 에어러솔 광학깊이와 옹스트롬 지수를 이용하여 에어러솔 광학 특성을 분석하였다. 또한 기상현상에 크게 의존하지 않고 24시간 연속적으로 에어러솔의 농도를 정량적으로 제공하는 β-ray PM10 질량 농도 측정기가 사용되었다. 본 연구에서는 종관 기상 패턴의 차이로 인한 에어러솔의 특성 변화를 최소화하기 위하여 2006년 4월에 발생한 사례만을 선택적으로 분석하였고, 일기도, 위성영상, 풍향 및 풍속 그리고 AERONET에서 제공된 역궤적 분석을 통해 에어러솔 특성과의 관계를 조사하였다.
마이크로펄스 라이다, 파장별 일사계, β-ray PM10 질량 농도 측정기, 40 m 타워 풍향․풍속계에서 관측된 결과와 일기도, MODIS-RGB 영상, NOAA 안개분석 영상, NOAA 적외영상, 역궤적 분석자료 등을 이용하여 2006년 4월에 발생한 황사, 안개, 청명, 구름 사례에 대한 에어러솔의 연직 분포와 광학적 특성을 기상학적으로 분석하였다.
대상 데이터
본 연구에 사용된 모든 장비는 안면도 기후변화감시 센터(36° 32' N, 126° 19' E, 해발고도 45.7 m)에서 운영 되고 있다. 안면도는 한반도 중부 서해안에 위치하고 리아스식 해안을 이루며 길이가 남북으로 약 24 km, 동서로 5.
본 연구에서 이용된 라이다는 마이크로펄스 라이다 (Micro Pulse Lidar; MPL)(또는 에어러솔 라이다)로 불리며, 523.5 nm의 단파장 레이저를 사용하는 상용 라이다로서 미국 SESI (Science and Engineering Services Incorporation)에서 제작된 시스템이다. MPL의 광학 송수신장치는 Nd:YLF (Neodymium-doped Yttrium Lithium Fluoride) 레이저를 발생시키고 방출하는 발신부와 후방 산란된 양자수를 측정하는 수감부(detector)로 구성되어 있으며, MPL 다이오드 레이저 모듈은 자체 발생된 다이오드 레이저의 에너지를 Nd:YLF 다이 오드 레이저 발생 장치로 전달하는 역할을 수행한다(지구대기감시관측소, 2000).
MPL의 광학 송수신장치는 Nd:YLF (Neodymium-doped Yttrium Lithium Fluoride) 레이저를 발생시키고 방출하는 발신부와 후방 산란된 양자수를 측정하는 수감부(detector)로 구성되어 있으며, MPL 다이오드 레이저 모듈은 자체 발생된 다이오드 레이저의 에너지를 Nd:YLF 다이 오드 레이저 발생 장치로 전달하는 역할을 수행한다(지구대기감시관측소, 2000). MPL의 세부 규격은 Table 1과 같으며, 사용되는 레이저는 녹색광으로 523.5 nm의 파장을 사용하고, 펄스반복률은 2500 Hz이다. MPL의 장점은 1 Watt의 낮은 전력으로 대기를 유효하게 관측할 수 있다는 것이다.
관측된 후방 산란 신호는 연직방향으로 60 km까지 관측이 되지만 일반적으로 신뢰할 만한 유효고도는 10 km 정도로 보고되고 있다. 본 연구에서는 15 km까지 관측된 후방 산란 신호 프로파일을 사용하였다.
파장별 일사계는 태양광을 이용하는 수동적 광학 장비이기 때문에 주간에만 관측 결과를 이용할 수 있다. 기후변화감시센터에서 운영중인 EKO 파장별 일사계는 5개의 파장(368, 500, 675, 778, 862 nm)을 사용하여매 1분 간격으로 관측 자료를 생산하고 있으며, 본 연구에서는 500 nm의 파장에서 산출된 에어러솔 광학깊이 (Aerosol Optical Depth; AOD)를 사용하였다. 에어러솔 광학깊이는 태양복사가 대기의 상한에서 지표까지 도달하는 동안 대기 중에 존재하는 여러 성분들에 의해 감쇄되는 효과를 나타내는 척도이다.
2006년 4월 28일 발생한 안개 사례 사례는 한반도 남서쪽 해안에 위치한 고기압의 영향을 받은 후 점차 고기압의 가장 자리에 위치하면서 남서쪽의 따뜻한 기단 유입과 함께 발생한 사례로서 Fig. 12의 NOAA 안개 분석 영상에서도 뚜렷하게 나타났다. Fig.
2006년 4월 16일 전형적인 맑은 날씨의 사례와 구름 사례가 함께 관측되었다. 종관 패턴을 보면(Fig.
이론/모형
여기서, P 는 현지 기압, P0는 표준 기압, λ는 파장을 각각 의미한다. 그리고 구름에 의한 영향을 배제하기 위하여 구름제거 알고리즘을 사용하였고, 이 알고리즘은 세계기상기구의 지표 복사 네트워크(Baseline Surface Radiation Network)에서 개발되어 미 항공우주국(NASA)의 AERONET (Aerosol Robotic Network)에서 사용하고 있는 방법과 동일한 방법이다. 이 알고리즘은 연속적으로 관측된 값들 중 큰 변동을 갖는 자료를 제거하고 선택된 자료의 일 변동에서 표준편차 기준을 적용하여 만족하지 않는 자료를 제거하는 방법을 사용한다.
성능/효과
4에 나타내었다. 0000 UTC부터 1000 UTC까지는 남풍 계열 바람이 지배적이었고 1000 UTC부터 남풍에서 서풍 그리고 북서풍으로 풍계가 변하는 것으로 관측되었다. 풍속의 경우는 남풍이 지배적인 0800 UTC 이전까지는 8 m s-1 이상의 빠른 풍속을 보였으나, 0800 UTC 이후 풍속은 감소하기 시작 하여 서풍과 북서풍이 지배적인 1300 UTC 이후부터는 평균 3.
0000 UTC부터 1000 UTC까지는 남풍 계열 바람이 지배적이었고 1000 UTC부터 남풍에서 서풍 그리고 북서풍으로 풍계가 변하는 것으로 관측되었다. 풍속의 경우는 남풍이 지배적인 0800 UTC 이전까지는 8 m s-1 이상의 빠른 풍속을 보였으나, 0800 UTC 이후 풍속은 감소하기 시작 하여 서풍과 북서풍이 지배적인 1300 UTC 이후부터는 평균 3.3 m s-1의 풍속을 보였다. 안면도의 40 m 타워에서 관측된 연평균 풍속이 4.
6 m s-1가 관측된 이후로 풍속이 증가하면서 마이크로펄스 라이다로부터 안개의 소산 또한 함께 관측되었다. 다시 말하면, 마이크로펄스 라이다에서 안개가 관측되기 시작할 무렵부터 풍속이 빠르게 감소하는 것으로 관측되었고 안개가 사라지면서 풍속 또한 빠르게 증가하는 것으로 나타났다.
11에 나타내었다. 먼저 500 nm 대기광학깊이 산출 결과를 보면 4월 7일의 1.0에서 1.2 사이에 값 분포와 달리 급격히 증가하여 0400 UTC에는 2.0 이상의 값을 보였으며 0600 UTC까지 최대 2.42의 대기광학깊이가 산출되었다. 이와 같이 대기광학깊이가 급격히 증가한 원인은 고기압의 영향으로 인한 안정된 대기 상태와 0000 UTC부터 1000UTC까지 북서풍이 지배적이면서 평균 풍속 1.
10에 나타난 2번의 최저 풍속 0 m s-1 (0959 UTC, 1040UTC)의 존재와 2번의 최대 질량 농도 발생은 주목할 만한 사례이다. 2번째 최대 농도가 나타난 이후로 PM10 질량 농도는 급격히 감소하는 경향을 보였다. 1820 UTC의 3번째 최고점 (1055.
3 μg m-3)이 이후로는 계속해서 감소하는 추세를 나타냈다. 3번째 최고점 또한 풍향 및 풍속 관측과는 약간의 시간차를 두고 관측된 사례로서, 1644 UTC부터 1714 UTC까지 북북서풍이 주로 나타났으며, 북북서풍이 나타난 시간대의 평균 풍속은 약 6.25 m s-1로 다소 강하게 나타났다.
강수가 예상되어 라이다 관측은 1500 UTC 경 중단이 되었고 실제로 1600 UTC부터 강수가 시작되었다. 안개 발생 시 PM10 질량 농도의 변화는 평균 44 μg m-3으로 낮은 농도 분포를 보였으며 또한 큰 질량 농도의 변화 없이 일정한 농도 수준을 보였다.
054로 나타났으며 대기광학깊이 값의 변동이 없이 상대적으로 균질하게 나타나는 것이 특징이다. 옹스트롬 지수는 0000 UTC부터 0500 UTC까지 평균 0.99로 나타났으며, 큰 입자보다는 상대적으로 작은 입자가 대기 중에 많이 분포하고 있었음을 보여준다. PM10 질량 농도 역시 동시간대에 평균 37.
황사가 발생하기 시작한 4월 7일 사례의 경우 전형 적인 황사의 종관 패턴인 저기압 후면을 따라 빠르게 유입되는 북서 기류가 지배적이었으며, 4월 8일 사례는 안정된 고기압이 한반도에 자리를 잡으면서 유입된 황사가 적체되어 황사의 강도가 강해진 것으로 판단된다. 위성 영상을 통해 황사가 유입되는 것이 뚜렷하게 관측되었으며, 라이다에서도 지상에서 2 km 고도사이에 황사 층이 존재하는 것이 명확히 관측되었다.
대기광학깊이와 옹스트롬 지수 역시 황사로 인해 대기 중의 에어러솔의 농도가 증가하고 특히 입경이 큰 입자상 물질들의 농도가 증가하는 것이 잘 나타났다. 에어러솔의 농도가 증가하면 그 값이 커지는 특징을 가지고 있는 대기광학깊이의 경우 황사 발생시 년 평균의 수배로 증가하는 특성을 보였으며, 큰 입자상 물질의 농도가 커질수록 그 값이 작아지는 특징을 가지고 있는 옹스트롬 지수의 경우 황사 발생시 년 평균보다 수배 작아지는 경향을 보였다.
대기광학깊이와 옹스트롬 지수 역시 황사로 인해 대기 중의 에어러솔의 농도가 증가하고 특히 입경이 큰 입자상 물질들의 농도가 증가하는 것이 잘 나타났다. 에어러솔의 농도가 증가하면 그 값이 커지는 특징을 가지고 있는 대기광학깊이의 경우 황사 발생시 년 평균의 수배로 증가하는 특성을 보였으며, 큰 입자상 물질의 농도가 커질수록 그 값이 작아지는 특징을 가지고 있는 옹스트롬 지수의 경우 황사 발생시 년 평균보다 수배 작아지는 경향을 보였다. 특히 4월 8일 황사 사례의 경우 시간적 격차는 보이지만 고요 상태(풍속 0 m s-1)와 관련하여 PM10 최고 질량 농도가 발생하였다는 것은 주목할 만한 사실이다.
라이다에서 관측된 이러한 연직 분포 특성이 파장별 일사계 관측을 통한 에어러솔 광학적 특성에서도 잘 나타났다. 맑은 상태에서 대기광학깊이는 작고 균일한 값 분포를 보였으나, 에어러솔 층이 나타나면서 그 값이 증가하기 커지기 시작하여 구름이 나타나기 직전까지 급격하게 상승하는 것으로 분석되어 라이다 관측 결과와 잘 일치하였다. 옹스트롬 지수 또한 년 평균과 유사하게 관측되었으며, 상대적으로 작은 입자상 물질들이 지배적인 것으로 나타났다.
맑은 상태에서 대기광학깊이는 작고 균일한 값 분포를 보였으나, 에어러솔 층이 나타나면서 그 값이 증가하기 커지기 시작하여 구름이 나타나기 직전까지 급격하게 상승하는 것으로 분석되어 라이다 관측 결과와 잘 일치하였다. 옹스트롬 지수 또한 년 평균과 유사하게 관측되었으며, 상대적으로 작은 입자상 물질들이 지배적인 것으로 나타났다.
6의 색칠된 영역으로 표시된 PM10 질량 농도의 변화를 보면 1100 UTC부터 100 μg m-3 이상의 질량 농도가 관측되기 시작하였다. 1000 UTC부터 남풍에서서풍으로 풍향 변화가 관측되기 시작한 것과 잘 일치하는 결과로 판단되며, 0800 UTC부터 관측된 풍속 감소 경향 또한 질량 농도 증가에 기여 한 것으로 생각된다 질량 농도는 시간이 지남에 따라 점차 증가하여 7일 1450 UTC에 212.2 μg m-3이 관측되었고, 2230 UTC에는 405 μg m-3의 질량 농도값을 기록하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
에어러솔은 무엇에 따라 지구 복사 수지에 직접적으로 영향을 미치고 있는가?
특히 에어러솔은 태양 및 지구 복사 에너지를 반사 및 흡수하고 (Schwartz, 1996; Houghton et al., 2001) 그 크기 분포와 화학적 성분 조성 그리고 화학 성분 비율 등에 따라 지구 복사 수지에 직접적으로 영향을 미치고 있다. 또한 구름 응결핵 역할을 함으로 인해 구름의 생성과 소멸, 강수 등에 간접적인 영향을 미치고 있다 (Penner et al.
전 지구 규모의 관측 프로그램 중 하나인 AERONET은 무엇을 수행하고 있는가?
지역적인 에어러솔 관측 프로그램뿐만 아니라 전 지구 규모의 관측 프로그램 역시 수행되었다. 그 중 하나인 AERONET (Aerosol Robotic Network)은 에어러솔이 기후에 미치는 영향을 연구하기 위해 전 지구적으로 수많은 관측 지점에서 지상 기반의 에어러솔 원격 탐지 기술을 이용하여 에어러솔 연속 관측을 수행하고 있다 (Holben et al., 2001). 이와 같은 에어러솔 원격 탐지 기술은 연속적이며 신뢰할 수 있는 에어러솔 광학 특성을 자세히 제공하였다(Dubovik et al.
ABC (Atmospheric Brown Cloud) 프로그램은 무엇을 조사하였는가?
, 2003). ABC (Atmospheric Brown Cloud) 프로그램 역시 인도․태평양 지역의 물 수지, 농업, 건강, 기후 변화에 관한 대기 갈색 구름의 영향을 조사하였다. Bosenberg (2001) 등과 Murayama (2001) 등은 각각 EARLINET (European Aerosol Research Lidar Network)와 ADNET (Asian Dust Network)을 이용하여 사막 지역에서 모래 폭풍으로 발생한 먼지가 장거리 수송됨을 라이다를 통하여 밝혔다.
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