[논문]석영 라만 채널을 이용한 황사 후방 산란 계수 산출

노영민; 이한림

doi:10.5572/kosae.2012.28.1.086

석영 라만 채널을 이용한 황사 후방 산란 계수 산출
Retrieval of Dust Backscatter Coefficient using Quartz Raman Channel in Lidar Measurements 원문보기

한국대기환경학회지 = Journal of Korean Society for Atmospheric Environment, v.28 no.1, 2012년, pp.86 - 93

노영민 (광주과학기술원 환경공학부) , (광주과학기술원 환경공학부) , 이한림 (연세대학교 대기과학과)

Abstract ▼ AI-Helper

We present a retrieval method to obtain dust backscatter coefficient from the mixed Asian dust and pollutant layer. In the present study, vertically resolved quartz (silicon dioxide, silica) concentration was calculated using Raman scattering signals from quartz at 546 nm. Dust concentration was obtained based on typical mass percentage of quartz in Asian dust. The highest value of dust concentration at 3.7 km in March 21, 2010 was 22.3 and 10.9 ${\mu}gm^{-3}$ according to the quartz percentage in Asian dust as 65 and 30% based on literature survey, respectively. OPAC (Optical Properties of Aerosol and Clouds) simulations were conducted to calculate dust backscatter coefficient. The retrieved dust concentration was used as an input parameter for the OPAC calculations. Utilization of quartz Raman channel in Lidar measurements is considered useful for distinguishing optical properties of dust and nondust aerosol in the mixing state of Asian dust.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 고도별 황사의 농도를 산출하는 선행연구를 바탕으로 입자의 농도로부터 광학적 특성값을 산출할 수 있는 OPAC (Optical Properties of Aerosol and Clouds; Hess et al., 1998)을 접목하여 황사만의 후방산란계수를 산출할 수 있는 방법을 제안하고자 한다.

가설 설정

(b) Mineral quartz concentration derived from the quartz backscatter coefficients. (c) Dust concentrations at the quartz weight 30% (gray color) and 65% (black color).
본 연구에서는 관측된 황사 입자가 nuclei, accumulation, 그리고 수송된 입자의 세가지 형태의 입자로 구성되었다고 가정하였다. 표 1은 본 연구에서 구분한 세가지 황사 입자의 물리적 특성값과 단위 입자 당 질량(M*) 및 질량혼합비(Mass mixing ratio, M)를 보여준다(Hess et al.
그리고 본 연구에서는 석영 라만 산란 신호를 수신하여 산출된 고도별 석영 농도와 황사입자의 성분들 중 석영이 차지하는 비율을 이용하여 고도별 황사의 농도를 유추하였다. 본 연구에서는 석영의 비율을 30.0%와 65.0%의 두 가지로 가정하여 황사의 농도를 유추하였다. 그림 3(c)는 유추된 황사의 농도로서 3.
25~40 μm 파장범위와 0~99% 상대습도 범위에서의 광학특성을 알려준다. 이때 에어러솔의 광학특성은 Mie 이론을 통해 계산되고 구름과 에어러솔은 외부혼합(external mixtures)을 가정하며 습도의 변화에 따라 에어러솔의 입경이 달라지는 현상(hysteresis effect)은 고려하지 못한다.

제안 방법

Tatarov and Sugimoto (2005)의 이론에 기초하여 석영(silicon dioxide, silica) 입자의 라만 산란으로부터 석영의 후방산란계수를 산출하였으며, 황사의 농도는 산출된 석영 후방산란계수와 문헌자료를 바탕으로 황사에서 석영이 차지하는 비율을 적용하여 유추하였다(Noh et al., 2011). 표 2에서 보여주듯이 아시아 지역에서 발생한 황사 입자의 성분들 중에서 석영이 차지하는 비율은 황사의 발원지와 관측 지점에 따라 6.
4 μg m^-3의 농도 분포를 보였다. 그리고 본 연구에서는 석영 라만 산란 신호를 수신하여 산출된 고도별 석영 농도와 황사입자의 성분들 중 석영이 차지하는 비율을 이용하여 고도별 황사의 농도를 유추하였다. 본 연구에서는 석영의 비율을 30.
그림 1에서 보여준 에어러솔의 고도별 분포와 편광소멸도 결과를 바탕으로 구름에 의한 영향이 없고 높은 산란 신호를 보인 14시 30분부터 17시 50분(UTC) 까지 측정된 5 km 고도까지의 각 관측 채널별 수신 신호를 합하여 분석을 수행하였다. 그림 2는 대기 에어러솔에 의한 후방산란계수(a)와 선형체적 및 입자 편광소멸도(b) 값을 보여준다.
또한, 본 연구방법으로 산출된 황사의 후방산란계수와 기존의 편광소멸도를 이용한 방법으로 산출된 황사의 후방산란계수를 비교하여 본 연구방법의 유효성을 확인하였다.
03의 값을 각각 사용하였다. 마지막으로 계산되어진 황사 비율을 이용하여 에어러솔 후방산란계수로부터 황사의 후방산란계수를 산출하였다.
본 연구를 통하여 석영 라만 채널 관측을 통하여 산출된 고도별 석영 농도로부터 황사의 농도를 유추하고 OPAC 계산을 통하여 황사만의 후방산란계수를 도출하였다. 본 연구를 통하여 라이다 원격 탐사 기술을 이용하여 장거리 이동 중인 황사층에서 황사와 황사 이외의 에어러솔의 광학적 특성을 구분할 수 있음을 알 수 있었다.
본 연구에서는 편광소멸도 값을 이용하여 황사의 후방산란계수를 산출하고 석영 라만 채널 분석으로부터 산출된 값과 비교하였다. 편광소멸도를 이용하여 황사의 후방산란계수를 산출하기 위해서는 입자와 공기분자의 편광소멸도를 모두 포함하는 선형체적 편광소멸도(linear volume depolarization ratio, δ_V)와 입자만의 편광소멸도(particle depolarization ratio, δ_P)의 두 가지가 필요하다(Sakai et al.
5% 사이의 값을 보였다. 본 연구에서는 황사입자에서 석영의 질량이 차지하는 비율을 선행연구(Ganzei and Razzhigaeva, 2006; Feng et al., 2002; Ivanov et al., 1989)에서 측정된 비율의 평균인 65.0%와 30.0%의 두 가지로 구분하여 고도별 황사의 농도를 산출하고, 산출된 고도별 황사농도를 OPAC의 입력자료로 활용하여 황사입자만의 후방산란계수를 산출하였다.
산출된 소산계수를 선행연구 (Noh et al., 2007; Murayama et al., 2004; Sakai et al., 2003)로부터 산출된 45 sr의 라이다 비(Lidar ratio)를 나누어서 최종적으로 황사의 후방산란계수(Dust backscatter coefficient, βD)를 산출하였다.

대상 데이터

53°E)에서 지속적으로 수행되었다. 본 연구에서는 석영 라만 채널과 편광소멸도 채널의 관측이 동시에 수행된 3월 21일 관측데이터를 분석하였다. 그림 1은 3월 21일 13:38 (UTC)부터 18:30 (UTC) 사이에 관측된 후방산란신호 세기(a)와 전체 편광소멸도(b) 값을 보여준다.

성능/효과

그림 5는 그림 3(c)에서의 고도별 황사 농도를 바탕으로 OPAC 계산으로 도출된 황사의 후방산란계수와 편광소멸도 값으로부터 산출된 황사의 후방산란계수를 보여준다. 65.0%의 석영 비율로 산출된 황사 후방산란계수는 편광소멸도로 산출된 황사 후방산란계수에 비하여 낮은 값을 보였으나, 30%의 석영 비율로 계산된 황사 후방산란계수는 유사한 경향을 보였다. 이러한 결과는 석영 라만 채널 관측으로부터 황사의 후방산란계수를 산출하는 과정에서 가장 중요한 것은 황사에서 석영이 차지하는 비율로 판단된다.
본 연구를 통하여 석영 라만 채널 관측을 통하여 산출된 고도별 석영 농도로부터 황사의 농도를 유추하고 OPAC 계산을 통하여 황사만의 후방산란계수를 도출하였다. 본 연구를 통하여 라이다 원격 탐사 기술을 이용하여 장거리 이동 중인 황사층에서 황사와 황사 이외의 에어러솔의 광학적 특성을 구분할 수 있음을 알 수 있었다. 황사의 후방산란계수 산출에 있어 황사입자에서 석영이 차지하는 비율이 중요한 변수로 판단된다.
, 2011). 표 2에서 보여주듯이 아시아 지역에서 발생한 황사 입자의 성분들 중에서 석영이 차지하는 비율은 황사의 발원지와 관측 지점에 따라 6.2%에서 80.5% 사이의 값을 보였다. 본 연구에서는 황사입자에서 석영의 질량이 차지하는 비율을 선행연구(Ganzei and Razzhigaeva, 2006; Feng et al.

후속연구

이 문제를 해결하기 위하여 향후 연구로 석영 라만 채널 관측 시 지표면에서 석영의 비율을 산출할 수 있는 관측을 동시에 수행한다면 정확도 높은 고도별 황사의 후방산란계수를 산출할 수 있을 것으로 사료된다. 또한, 황사의 발원지 별 석영 비율에 관한 자료를 데이터베이스화하여 황사관측 시 역궤적 분석을 통하여 발원지를 구분하고 이에 따른 석영 비율을 적용하는 것도 한 방법이 될 것으로 판단된다.
황사의 후방산란계수 산출에 있어 황사입자에서 석영이 차지하는 비율이 중요한 변수로 판단된다. 이 문제를 해결하기 위하여 향후 연구로 석영 라만 채널 관측 시 지표면에서 석영의 비율을 산출할 수 있는 관측을 동시에 수행한다면 정확도 높은 고도별 황사의 후방산란계수를 산출할 수 있을 것으로 사료된다. 또한, 황사의 발원지 별 석영 비율에 관한 자료를 데이터베이스화하여 황사관측 시 역궤적 분석을 통하여 발원지를 구분하고 이에 따른 석영 비율을 적용하는 것도 한 방법이 될 것으로 판단된다.
이와 같이 장거리 이동중인 황사층에서 황사와 황사 이외 에어러솔 후방산란계수의 구분은 동북아시아 지역에서 봄철에 주로 발생하는 황사와 황사 이외의 미세입자와의 이동 및 혼합 특성과 혼합으로 인한 광학적 특성 변화의 연구에 매우 유용한 정보를 제공할 것이다.
(2011)은 석영에 의해 라만 산란되는 강도가 고도별 석영의 농도에 비례한다는 이론을 바탕으로 고도별 석영의 농도를 산출하고 문헌자료를 바탕으로 황사 중 석영의 비율을 적용하여 고도별 황사의 농도를 산출하였다. 하지만 황사 관측 시 황사가 발원지로부터 장거리 이동 중 각종 오염물질과의 혼합으로 인하여 발생되는 광학적 특성의 변화를 연구하기 위해서는 라이다로 관측된 전체 에어러솔의 후방산란계수로부터 황사와 비황사의 후방산란계수를 분리하는 것이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	황사의 기원지는 어디인가?	, 2006). 이들 중 주로 봄철에 중국의 타클라마칸 사막과 몽고 등지에서 주로 발생하는 황사는 편서풍의 기류를 타고 태평양으로 이동하여 때로는 아시아 지역의 대기 환경에 많은 영향을 미칠 뿐만 아니라 장거리 이동을 통하여 알래스카 지역과 미국 본토에까지 도달하기도 한다(Husar et al., 2001; Uno et al.
	황사의 광학적 특성이 발생원에서와 달라지는 이유는 무엇인가?	대기 에어러솔 중 입자가 크고 비구형성의 형태를 가지는 황사 입자는 다른 에어러솔과는 구분되는 산란 특성을 보인다(Schwartz and Andreae, 2002). 하지만, 황사의 광학적 특성은 발생원에서 생성 후 중국의 공업지역 및 대도시 상공을 통과하면서 각종 오염물질 및 입자들과 혼합되어 발생원에서와는 다른 광학적 특성을 나타낸다(Huebert et al., 2003).
	Noh et al. (2011)은 황사 관측 방법으로 쓰이는 석영 라만 채널 관측을 어떻게 적용하였는가?	Noh et al. (2011)은 석영에 의해 라만 산란되는 강도가 고도별 석영의 농도에 비례한다는 이론을 바탕으로 고도별 석영의 농도를 산출하고 문헌자료를 바탕으로 황사 중 석영의 비율을 적용하여 고도별 황사의 농도를 산출하였다. 하지만 황사 관측 시 황사가 발원지로부터 장거리 이동 중 각종 오염물질과의 혼합으로 인하여 발생되는 광학적 특성의 변화를 연구하기 위해서는 라이다로 관측된 전체 에어러솔의 후방산란계수로부터 황사와 비황사의 후방산란계수를 분리하는 것이 필요하다.

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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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