[논문]지상 라이다를 이용한 대기중 꽃가루 분포 실시간 모니터링

노영민; 이권호; 최영진; 김규랑; 이한림; 최태진

doi:10.7780/kjrs.2012.28.1.001

지상 라이다를 이용한 대기중 꽃가루 분포 실시간 모니터링
Instantaneous Monitoring of Pollen Distribution in the Atmosphere by Surface-based Lidar 원문보기

대한원격탐사학회지 = Korean journal of remote sensing, v.28 no.1, 2012년, pp.1 - 9

노영민 (광주과학기술원 환경공학과) , (광주과학기술원 환경공학과) , 이권호 (경일대학교 위성정보공학과) , 최영진 (응용기상연구과 국립기상연구소) , 김규랑 (응용기상연구과 국립기상연구소) , 이한림 (연세대학교 대기과학과) , 최태진 (극지연구소)

초록
AI-Helper

대기중의 꽃가루를 원격 탐사 기술을 이용하여 실시간 연속적으로 수행한 연구는 현재까지 전무하다. 본 연구는 지상 라이다 원격 탐사 기술을 이용하여 꽃가루 대기 분포의 일변화를 실시간 연속적으로 모니터링 하였다. 지상 라이다를 이용한 관측은 5월 4일부터 6월 2일까지 광주과학기술원에서 지속적으로 수행되었다. 라이다 데이터의 소산계수 분석을 통하여 대기 에어러솔의 분포를 확인하고 편광소멸도를 이용하여 입자의 비구형성을 확인하였다. 관측 기간 중 5월 4일부터 9일까지 일출 이후 09시경부터 편광소멸도 값이 0.08에서 0.14로 높은 값이 지표면 가까이부터 관측되기 시작하여 정오경에 1.5 - 2.0 km까지 고도가 증가하다 이후 감소하기 시작하여 일출시간(18시 이후)에 사라지는 현상이 관측되었다. 이 때 일별 꽃가루 농도는 $1,000m^{-3}$ 이상의 높은 농도를 보여 편광소멸도의 증가가 꽃가루로부터 유발된 것임을 알 수 있었다. 라이다 편광소멸도 관측과 기상 자료와의 비교분석을 통하여 수목류가 방출한 꽃가루는 지표면 기온이 상승하고 대기 중 상대습도가 낮아지는 낮 시간 동안 대기경계층 고도까지 상승하지만 시간이 지남에 따라 기온의 하강과 상대습도의 증가, 그리고 풍속이 감소하면서 꽃가루의 관측 고도는 낮아져 늦은 오후 시간대부터는 꽃가루가 대기 중에서 사라지는 일정한 일변화 형태를 보임을 파악할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The diurnal variation in pollen vertical distributions in the atmosphere was observed by a surface-based lidar remote sensing technique. Aerosol extinction coefficient and depolarization ratio at 532 nm were obtained from lidar measurements in spring ($4^{th}$ May - $2^{nd}$ June) 2009 at Gwangju Institute of Science & Technology (GIST) located in Gwangju, Korea ($35.15^{\circ}E$, $126.53^{\circ}N$). Unusual variations of depolarization ratio were observed for six days from $4^{th}$ to $9^{th}$ May. Depolarization ratios varied from 0.08 to 0.14 were detected at the low altitude in the morning. The altitude with those high depolarization ratios was increased up to 1.5 - 2.0 km at the time interval between 12:00 and 14:00 LT and then decreased. The temporal variations in high values of depolarization ratios from lidar measurements show good agreement in patterns with the sampled pollen concentrations measured using the Burkard trap sampler. This study demonstrates that the pollen distribution data obtained by lidar measurements can be a useful tool for investigating spatial and temporal characteristic of pollen particles.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

낮 시간 동안 편광소멸도 값의 증가는 꽃가루 농도의 증가와 관련된 것으로 고려되어 이를 확인하기 위한 기상 자료 분석을 수행하였다. 선행 연구로부터 수목류는 대부분 온도가 높고 상대습도가 낮은 날 정오부터 늦은 오후 (10:00 ~ 18:00 hr)에 꽃가루를 방출한다고 알려져 있다(Pande et al.
본 연구는 2009년 봄에 지속적으로 수행된 라이다 관측을 통하여 얻어진 고도별 대기 에어로졸 분포와 편광소멸도(Depolarization ratio) 자료와 지상에서 측정된 AERONET (AErosol RObotic NETwork)의 sunphotometer 자료, 일별 꽃가루 농도, 기상자료 및 미세먼지 농도(PM₁₀)를 종합적 분석하여 국내 최초로 라이다 관측으로부터 대기중 꽃가루의 고도별 분포를 확인하고자 하였다.
본 연구는 항공 관측에만 의존하여 제한적으로 수행되던 대기 중 꽃가루의 확산과 분포에 관한 연구를 라이다 원격탐사 기술을 적용하여 실시간 연속적으로 수행할 수 있음을 최초로 증명하였다. 또한 본 연구에서 측정된 꽃가루의 일변화 형태는 CALIPSO와 같은 위성 라이다 데이터 분석시 황사와 꽃가루를 구분하는데 중요한 자료로 활용될 수 있을 것이다.
53°N)에서 2009년 3월부터 5월 사이의 봄 기간에 강수가 내리지 않는 맑은 날에 지속적으로 수행되었다. 본 연구에서는 연중 꽃가루의 농도가 가장 높게 나타나는 5월에 관측된 라이다 자료를 분석하였다.
해염 입자(Sea-salt)도 편광소멸도를 증가시킬 수 있으나, 라이다 관측 지점이 해안에서 50 km 이상 떨어진 내륙지역이고 관측기간 동안 바람이 북서풍의 방향을 지속적으로 유지한 것을 고려할 때 낮 시간 동안만 편광소멸도를 증가시킨 것과는 연관성은 없을 것으로 판단된다. 이에 본 연구에서는 편광소멸도를 증가시킬 수 있는 또 다른 입자인 꽃가루와의 연관성을 분석하였다.

제안 방법

이후광증배관(PMT: photomultiplier tube)으로 산란 신호를 검출하고 AD(Analog-to-Digital) convertor를 통하여 PMT로부터 수신된 광신호를 전기적 신호로 전환하여 수치화 하게 된다. 라이다 본체는 항온항습을 유지할 수 있는 트레일러 안에 설치하였고 관측은 15분에 2분간격으로 진행하였다. 중첩고도의 영향으로 최저 관측 고도는 200 m로서 그 이하의 고도에서는 분석 가능한 신호의 수신이 어려웠다.
라이다관측지점에위치한AERONET sunphotometer로부터 Level 2.0의 440 nm의 에어러솔 광학적 두께(Aerosol optical depth, AOD)와 440 - 870 nm에서의 파장멱지수 (Angstrom exponent)값을 비교 분석에 활용하였다.
레이저에서 생산된 350 mJ에 30 Hz의 출력 1064 nm 파장을 Second harmonic generator를 거쳐 532 nm 의 가시 영역대의 파장으로 변환하여 관측을 수행한다. 레이저에서 발진된 빔은 먼 거리에서의 빔 퍼짐도를 줄여 관측 효율 향상을 위해 빔 확대기(beam expander)를 사용하여 직경을 10배로 확대하였다. 확대된 레이저 빔은 망원경의 중심에서 쏘아 올리는 Co-axial type으로 설계되어 중첩고도의 영향을 최소화 하였다.
생산된 평행광은 편광빔 분리기(Polarization beam splitter)를 거쳐 빔의 편광도를 구분한 후 532 nm 파장의 간섭필터를 설치하여 532 nm 파장에서의 신호를 구분하게 된다. 이후광증배관(PMT: photomultiplier tube)으로 산란 신호를 검출하고 AD(Analog-to-Digital) convertor를 통하여 PMT로부터 수신된 광신호를 전기적 신호로 전환하여 수치화 하게 된다. 라이다 본체는 항온항습을 유지할 수 있는 트레일러 안에 설치하였고 관측은 15분에 2분간격으로 진행하였다.
(1974)는 항공기를 이용한 꽃가루의 수직분포 관측으로부터 대기가 단열상태인 경우 꽃가루의 수직적 혼합이 발생하였으며 단열감율이 안정적일 경우 고도에 따라 꽃가루 농도가 감소하는 경향을 확인하였다. 하지만, 난류가 발생할 경우 상층에서의 꽃가루 농도가 하층보다 높은 경우도 관측하였다. 또한, 낮 시간 동안의 상대습도의 감소는 꽃가루의 비중을 감소시켜 꽃가루의 확산이 더욱 용이하게 하는 것으로 판단된다 (Durham, 1944).
레이저에서 발진된 빔은 먼 거리에서의 빔 퍼짐도를 줄여 관측 효율 향상을 위해 빔 확대기(beam expander)를 사용하여 직경을 10배로 확대하였다. 확대된 레이저 빔은 망원경의 중심에서 쏘아 올리는 Co-axial type으로 설계되어 중첩고도의 영향을 최소화 하였다.

대상 데이터

) 농도는 광주지방기상청에서 관측된 1시간 평균 자료를 기상청으로부터 제공받아 사용하였다. 고도별 기온과 상대습도 자료는 라이다 관측 지점에서 10 km 떨어진 광주공항에서 측정된 라디오 존데 자료를 활용하였다.
극지연구소의 Duel-lidar는 현재 쇄빙선인 아라온호에 2009년 10월부터 설치되어 있으나, 쇄빙선 설치전 2008년 9월부터 2009년 7월까지 광주과학기술원에 설치되어 시험 관측을 수행하였다.
꽃가루 농도 자료는 광주보훈병원 옥상 1.5 m 높이에 설치된 Burkard trap (seven-day recording volumetric spore trap)을 이용하여 관측한 m³ 당 꽃가루 수를 기상청으로부터 제공받아 사용하였다. 자세한 꽃가루 관측 방법은 박기준 등(2008)에 소개되어 있다.
지상에서 관측된 풍속, 상대습도, 온도의 기상자료와 미세먼지(PM₁₀) 농도는 광주지방기상청에서 관측된 1시간 평균 자료를 기상청으로부터 제공받아 사용하였다. 고도별 기온과 상대습도 자료는 라이다 관측 지점에서 10 km 떨어진 광주공항에서 측정된 라디오 존데 자료를 활용하였다.

이론/모형

여기서 S는 에어로졸에 의한 소산과 후방산란계수의 비로 라이다 비(Lidar ratio)로 지칭하며 에어로졸의 종류와 크기, 성분 등에 따라 다양한 값을 나타낸다. 본 연구에서는 Klett(1985)이 제안한 역방향 적분법은 원거리에서 대기 에어로졸이 존재하지 않는 구간을 기준고도로 설정하고 이 기준고도에서부터 아래방향으로 순차적인 해석을 수행하였고 50 sr²⁾의 라이다 비를 사용하였다.

성능/효과

Fig. 1(a)의 소산계수로부터 관측기간 동안 대기 에어러솔이 대부분 1.5에서 2.0 km 고도 이내에 분포하였고 2.0 km 이상의 고도에서는 낮은 빈도로 대기 에어러솔이 관측되었음을 알 수 있다. Fig.
본 연구를 통하여 높은 농도의 꽃가루 발생 시 대기 에어러솔 관측용 라이다 시스템의 편광소멸도를 이용하여 대기 중 꽃가루의 수직 분포를 관측할 수 있음을 알 수 있었다. 대기 중으로 확산된 꽃가루는 라이다 관측에 있어 일반 대기 에어러솔 보다 높은 0.08-0.14 사이의 편광소멸도 값을 유발하여 편광소멸도 값으로부터 꽃가루의 분포를 확인할 수 있었다. 본 연구의 라이다 편광소멸도 관측으로부터 수목류가 방출한 꽃가루는 지표면 기온이 상승하고 대기 중 상대습도가 낮아지는 낮 시간 동안 대기경계층 고도까지 상승하지만 시간이 지남에 따라 기온의 하강과 상대습도의 증가, 그리고 풍속이 감소하면서 꽃가루의 관측 고도는 낮아져 늦은 오후 시간대부터는 꽃가루가 대기 중에서 사라지는 일정한 일변화 형태를 파악할 수 있었다.
본 연구를 통하여 높은 농도의 꽃가루 발생 시 대기 에어러솔 관측용 라이다 시스템의 편광소멸도를 이용하여 대기 중 꽃가루의 수직 분포를 관측할 수 있음을 알 수 있었다. 대기 중으로 확산된 꽃가루는 라이다 관측에 있어 일반 대기 에어러솔 보다 높은 0.
14 사이의 편광소멸도 값을 유발하여 편광소멸도 값으로부터 꽃가루의 분포를 확인할 수 있었다. 본 연구의 라이다 편광소멸도 관측으로부터 수목류가 방출한 꽃가루는 지표면 기온이 상승하고 대기 중 상대습도가 낮아지는 낮 시간 동안 대기경계층 고도까지 상승하지만 시간이 지남에 따라 기온의 하강과 상대습도의 증가, 그리고 풍속이 감소하면서 꽃가루의 관측 고도는 낮아져 늦은 오후 시간대부터는 꽃가루가 대기 중에서 사라지는 일정한 일변화 형태를 파악할 수 있었다.
1(b)에서 5월 4일부터 9일의 6일의 관측 기간 동안의 편광소멸도 분포는 황사 발생 시 보여지는 것과 다른 분포를 보였다. 이 기간 동안의 소산계수는 연속적인 대기 에어러솔의 분포를 보여주는데 반하여, 편광소멸도는 일출 이후 09시에서 10시경 사이에서 0.08 - 0.14 사이의 편광소멸도가 지표면 가까이의 낮은 고도에서부터 관측되기 시작하여 12시에서 14시 사이에 1.5 - 2.0 km 고도까지 분포하다 그 이후 관측고도가 감소하여 17에서 18시경에서 소멸되는 현상이 6일 동안 측정되었다. Fig.
국내에서는 박기준 등 (2008)이 전국 7개 지역에서 관측된 꽃가루 농도 자료를 이용하여 지역별, 기상별, 알레르기 발현성별로 꽃가루 농도 분포 특성을 조사 분석하였다. 이를 통하여 꽃가루 농도는 전국적으로 유사한 분포를 보이며, 수목류는 3월~5월, 잡초류는 8월~10월에 주로 발생하는 것을 밝혔다. 오재원 (2009)은 꽃가루 농도를 예측하기 위한 예보 지수를 개발하여 실제 관측 결과와 비교하였다.
14의 값을 보이기 시작하는 09시에서 10시경에 80 – 60 % 이상이던 상대습도는 감소하기 시작하여 정오경에 20 % 이하까지 감소하고 온도는 25 °C 이상까지 증가하였다. 이후 편광소멸도가 0.05 이하의 값을 보이는 16시 이후부터 다음날 09시까지의 시간대에서 상대습도는 증가하여 새벽 시간대에 최대값을 보이고 온도는 감소하는 경향이 관측되었다. 풍속 또한 4일과 8일에는 낮 최고 풍속이 각각 3.
편광소멸도가 0.08 – 0.14의 값을 보이기 시작하는 09시에서 10시경에 80 – 60 % 이상이던 상대습도는 감소하기 시작하여 정오경에 20 % 이하까지 감소하고 온도는 25 °C 이상까지 증가하였다.

후속연구

본 연구는 항공 관측에만 의존하여 제한적으로 수행되던 대기 중 꽃가루의 확산과 분포에 관한 연구를 라이다 원격탐사 기술을 적용하여 실시간 연속적으로 수행할 수 있음을 최초로 증명하였다. 또한 본 연구에서 측정된 꽃가루의 일변화 형태는 CALIPSO와 같은 위성 라이다 데이터 분석시 황사와 꽃가루를 구분하는데 중요한 자료로 활용될 수 있을 것이다. 이러한 꽃가루 분포의 고도별 연속 관측 자료는 꽃가루의 확산 현상에 대한 중요한 정보로 활용될 것으로 기대되며, 현재 진행중인 꽃가루 농도 예보 연구를 위한 중요한 기초자료가 될 것으로 기대된다.
또한 본 연구에서 측정된 꽃가루의 일변화 형태는 CALIPSO와 같은 위성 라이다 데이터 분석시 황사와 꽃가루를 구분하는데 중요한 자료로 활용될 수 있을 것이다. 이러한 꽃가루 분포의 고도별 연속 관측 자료는 꽃가루의 확산 현상에 대한 중요한 정보로 활용될 것으로 기대되며, 현재 진행중인 꽃가루 농도 예보 연구를 위한 중요한 기초자료가 될 것으로 기대된다.
하지만, 약한 황사나 해염 입자도 꽃가루의 편광소멸도와 유사한 값을 보이며, 높은 농도의 꽃가루가 발생하는 봄철은 황사가 주요하게 발생하는 시기이므로 편광소멸도를 이용한 꽃가루 분포 연구에 높은 주의가 필요하며 기상조건, PM₁₀ 농도 분석 등을 통하여 분석 결과를 검증하는 절차가 반드시 필요할 것으로 판단된다.
향후에는 편광소멸도 값의 보정과 정밀 분석을 통하여 꽃가루 입자의 크기 및 형태에 따른 편광적 특성과 알레르기를 일으키는 꽃가루의 크기에 따른 행태 차이와의 상관관계를 분석하여 꽃가루의 독성에 대한 연구의 기초자료로 활용되게 할 계획이다.
현재 진행중인 기후변화는 대기 중 꽃가루 농도의 증가를 야기할 것으로 예측되고 있어(WMO, 2001) 꽃가루 발생이 대기환경에 미치는 영향을 파악하기 위해서는 단순히 지표면에서 꽃가루의 농도를 관측하는 연구를 뛰어 넘어 꽃가루의 대기 중 분포 및 확산에 대한 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	우리나라의 꽃가루 농도 분포 특성은?	국내에서는 박기준 등 (2008)이 전국 7개 지역에서 관측된 꽃가루 농도 자료를 이용하여 지역별, 기상별, 알레르기 발현성별로 꽃가루 농도 분포 특성을 조사 분석하였다. 이를 통하여 꽃가루 농도는 전국적으로 유사한 분포를 보이며, 수목류는 3월~5월, 잡초류는 8월~10월에 주로 발생하는 것을 밝혔다. 오재원 (2009)은 꽃가루 농도를 예측하기 위한 예보 지수를 개발하여 실제 관측 결과와 비교하였다.
	꽃가루가 야기하는 악영향은 무엇이 있는가?	주로 봄철에 높은 농도로 대기 중에서 관측이 되는 꽃가루는 시정을 악화시키는 등 대기 환경을 저해하는 작용을 하기도 하고 천식이나 알레르기비염과 같은 호흡기 알레르기 뿐만 아니라 아토피피부염을 악화시키는 등 건강문제에 악영향을 미치는 원인 물질로 작용한다(Lewis et al., 1983; Esch and Bush, 2003).
	충매화와 풍매화 각각의 특징은 무엇인가?	, 1983; Esch and Bush, 2003). 식물은 수정방법에 따라 충매화와 풍매화로 나눌 수 있는데, 충매화는 향기나 꽃으로 곤충을 유혹하여 꽃가루를 전파시키므로 발생량이 적고 크고 무거워 공기 중에 잘 부유하지 않아 대기 환경 및 건강상 문제를 유발할 가능성이 적다. 이에 반하여 풍매화는 작고 가벼운 꽃가루를 다량 생성하여 바람에 의하여 전파되게 함으로써 대기 환경 및 건강상 문제를 유발한다(오재원, 2009).

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원문보기 상세보기
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저자의 다른 논문 :

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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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