대기중의 꽃가루는 생물학적으로 발생하는 자연현상이며, 꽃가루 입자 자체는 태양복사전달과정에 영향을 미치며, 시정을 악화시키는 등 대기환경을 저해하고, 건강문제에 부정적인 영향을 주기도 한다. 꽃가루에 대한 연구는 주로 꽃가루의 이동과 확산, 그리고 건강에 미치는 영향에 대해 이루어져 왔으나 대기 에어러솔로서 광학적 특성 및 기후변화에 미치는 영향에 대한 연구는 아직 미비하다. 본 연구의 목적은 대기 중에서 꽃가루의 시간적 및 수직적 분포를 분석하는 것과 꽃가루의 증가로 인한 대기 에어러솔 광학적 특성변화를 분석하는 것으로서, 광주지역에서 고농도의 꽃가루 현상이 발생한 2009년 5월 5일부터 5월 7일 까지 라이다(Lidar)와 Cimel 선포토미터(sunphotometer)를 이용한 집중 관측을 수행하였다. 꽃가루는 주로 일출 후 대기 중에서 관측되기 시작하여 정오경에 대기경계층 고도 이하 (<약 1.5 km)까지 분포하다 일몰 후 사라지는 일변화를 보였으며, 꽃가루의 일평균 광학적 두께는 5, 6, 그리고 7일에 각각 0.036, 0.021, 그리고 0.019로 전체 대기 에어러솔에서 꽃가루가 차지하는 비율은 1 - 16 %로 정오경에 가장 높은 비율을 보였다. 이러한 연구결과를 살펴볼 때, 봄 철의 높은 꽃가루 농도는 대기 에어러솔의 주요한 요소로 작용할 수 있으며, 위성, 선포토미터 등의 원격 탐사 장비를 이용한 대기 에어러솔 관측 시 영향을 고려해야 할 요소임을 증명하였다.
대기중의 꽃가루는 생물학적으로 발생하는 자연현상이며, 꽃가루 입자 자체는 태양복사전달과정에 영향을 미치며, 시정을 악화시키는 등 대기환경을 저해하고, 건강문제에 부정적인 영향을 주기도 한다. 꽃가루에 대한 연구는 주로 꽃가루의 이동과 확산, 그리고 건강에 미치는 영향에 대해 이루어져 왔으나 대기 에어러솔로서 광학적 특성 및 기후변화에 미치는 영향에 대한 연구는 아직 미비하다. 본 연구의 목적은 대기 중에서 꽃가루의 시간적 및 수직적 분포를 분석하는 것과 꽃가루의 증가로 인한 대기 에어러솔 광학적 특성변화를 분석하는 것으로서, 광주지역에서 고농도의 꽃가루 현상이 발생한 2009년 5월 5일부터 5월 7일 까지 라이다(Lidar)와 Cimel 선포토미터(sunphotometer)를 이용한 집중 관측을 수행하였다. 꽃가루는 주로 일출 후 대기 중에서 관측되기 시작하여 정오경에 대기경계층 고도 이하 (<약 1.5 km)까지 분포하다 일몰 후 사라지는 일변화를 보였으며, 꽃가루의 일평균 광학적 두께는 5, 6, 그리고 7일에 각각 0.036, 0.021, 그리고 0.019로 전체 대기 에어러솔에서 꽃가루가 차지하는 비율은 1 - 16 %로 정오경에 가장 높은 비율을 보였다. 이러한 연구결과를 살펴볼 때, 봄 철의 높은 꽃가루 농도는 대기 에어러솔의 주요한 요소로 작용할 수 있으며, 위성, 선포토미터 등의 원격 탐사 장비를 이용한 대기 에어러솔 관측 시 영향을 고려해야 할 요소임을 증명하였다.
Air-borne pollen, biogenically created aerosol particle, influences Earth's radiative balance, visibility impairment, and human health. The importance of pollens has resulted in numerous experimental studies aimed at characterizing their dispersion and transport, as well as health effects. There is,...
Air-borne pollen, biogenically created aerosol particle, influences Earth's radiative balance, visibility impairment, and human health. The importance of pollens has resulted in numerous experimental studies aimed at characterizing their dispersion and transport, as well as health effects. There is, however, limited scientific information concerning the optical properties of airborne pollen particles contributing to total ambient aerosols. In this study, for the first time, optical characteristics of pollen such as aerosol backscattering coefficient, aerosol extinction coefficient, and depolarization ratio at 532 nm and their effect to the atmospheric aerosol were studied by lidar remotes sensing technique. Dual-Lidar observations were carried out at the Gwangju Institute of Science & Technology (GIST) located in Gwagnju, Korea ($35.15^{\circ}E$, $126.53^{\circ}N$) for a spring pollen event from 5 to 7 May 2009. The pollen concentration was measured at the rooftop of Gwangju Bohoon hospital where the building is located 1.0 km apart from lidar site by using Burkard trap sampler. During intensive observation period, high pollen concentration was detected as 1360, 2696, and $1952m^{-3}$ in 5, 6, and 7 May, and increased lidar return signal below 1.5km altitude. Pollen optical depth retrieved from depolarization ratio was 0.036, 0.021, and 0.019 in 5, 6, and 7 May, respectively. Pollen particles mainly detected in daytime resulting increased aerosol optical depth and decrease of Angstrom exponent.
Air-borne pollen, biogenically created aerosol particle, influences Earth's radiative balance, visibility impairment, and human health. The importance of pollens has resulted in numerous experimental studies aimed at characterizing their dispersion and transport, as well as health effects. There is, however, limited scientific information concerning the optical properties of airborne pollen particles contributing to total ambient aerosols. In this study, for the first time, optical characteristics of pollen such as aerosol backscattering coefficient, aerosol extinction coefficient, and depolarization ratio at 532 nm and their effect to the atmospheric aerosol were studied by lidar remotes sensing technique. Dual-Lidar observations were carried out at the Gwangju Institute of Science & Technology (GIST) located in Gwagnju, Korea ($35.15^{\circ}E$, $126.53^{\circ}N$) for a spring pollen event from 5 to 7 May 2009. The pollen concentration was measured at the rooftop of Gwangju Bohoon hospital where the building is located 1.0 km apart from lidar site by using Burkard trap sampler. During intensive observation period, high pollen concentration was detected as 1360, 2696, and $1952m^{-3}$ in 5, 6, and 7 May, and increased lidar return signal below 1.5km altitude. Pollen optical depth retrieved from depolarization ratio was 0.036, 0.021, and 0.019 in 5, 6, and 7 May, respectively. Pollen particles mainly detected in daytime resulting increased aerosol optical depth and decrease of Angstrom exponent.
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문제 정의
따라서 본 연구의 목적은 대기중에서 꽃가루의 시간적 및 수직적 분포를 분석하는 것과 꽃가루의 증가로 인한 대기 에어러솔 광학적 특성 변화를 분석하는 것이다. 대기 중 존재하는 꽃가루 특성을 분석하고자 고농도의 꽃가루 현상이 발생한 2009년 5월 5일부터 5월 7일까지 라이다 집중 관측을 수행하였다.
본 연구에서는 광주 지역 대기 중 꽃가루의 분포, 일 변화, 그리고 광학적 두께 및 꽃가루가 대기 에어러솔의 광학적 특성에 미치는 영향을 살펴보았다. 꽃가루는 일출 후 대기 중에서 관측되기 시작하여 정오경에 대기경계층 고도(1.
대기 중 존재하는 꽃가루 특성을 분석하고자 고농도의 꽃가루 현상이 발생한 2009년 5월 5일부터 5월 7일까지 라이다 집중 관측을 수행하였다. 부가적으로, 대기중 에어러솔 광학요소를 연속적으로 관측하고 있는 CIMEL 선포토미터 관측 자료와의 비교 분석을 통하여 꽃가루가 대기 에어러솔의 광학적 두께 및 광학적 특성에 미치는 영향을 연구하였다.
가설 설정
이 식으로부터 에어러솔의 후방산란계수 및 소산계수를 수치해석적 방법으로 얻을 수 있다. 본 연구에서는 일반적인 에어러솔의 소산계수 산출 시 50 sr의 라이다 비를 적용하였으나, 꽃가루에 대해서는 알려진 바가 없으므로 입자의 크기가 클수록 라이다 비가 감소하는 특성을 고려하여 40 sr로 가정하였다. 여기서 얻어진 각 고도별 에어러솔 소산계수는를 전체 고도에 대하여 적분하게 되면 에어러솔 광학두께값이 된다.
제안 방법
3은 시간대별 에어러솔 광학적 두께(τa) 와 꽃가루의 광학적 두께(τP)를 보여준다. 각 시간대의 광학적 두께는 Fig. 2에서 산출된 후방산란계수를 바탕으로 계산된 에어러솔과 꽃가루의 소산계수를 산출하고 이를 고도별로 적분하여 산출하였다. Fig.
꽃가루에 대한 시간적 및 수직적 분포 분석을 위하여 대기 에어러솔의 수직분포의 연속 관측이 가능한 한국 극지연구소의 Dual-lidar 시스템을 이용하여 고농도의 꽃가루 현상이 발생하였던 2009년 5월 5일~7일까지 기간동안 집중 관측을 수행하였다. Dual-lidar는 ND:YAG 레이저에서 생산된 350 mJ에 30 Hz 출력의 1064 nm 파장을 Second harmonic generator를 거쳐 532 nm의 가시영역대의 파장으로 변환하여 관측을 수행한다.
따라서 본 연구의 목적은 대기중에서 꽃가루의 시간적 및 수직적 분포를 분석하는 것과 꽃가루의 증가로 인한 대기 에어러솔 광학적 특성 변화를 분석하는 것이다. 대기 중 존재하는 꽃가루 특성을 분석하고자 고농도의 꽃가루 현상이 발생한 2009년 5월 5일부터 5월 7일까지 라이다 집중 관측을 수행하였다. 부가적으로, 대기중 에어러솔 광학요소를 연속적으로 관측하고 있는 CIMEL 선포토미터 관측 자료와의 비교 분석을 통하여 꽃가루가 대기 에어러솔의 광학적 두께 및 광학적 특성에 미치는 영향을 연구하였다.
Dual-lidar는 ND:YAG 레이저에서 생산된 350 mJ에 30 Hz 출력의 1064 nm 파장을 Second harmonic generator를 거쳐 532 nm의 가시영역대의 파장으로 변환하여 관측을 수행한다. 레이저 빔은 먼 거리에서의 빔 퍼짐도를 줄여 관측 효율 향상을 위해 빔 확대기(beam expander)를 사용하여 빔의 직경을 10배로 확대하였다. 확대된 레이저 빔은 망원경의 중심에서 쏘아 올리는 Co-axial type 으로 설계되어 중첩고도의 영향을 최소화 하였다.
본 연구에서는 τa와 a의 일변화를 각 시간대의 값과 일평균값과의 차이를 %로 표시하여 살펴보았다.
0 자료를 활용하였다. 선포토미터 자료 중 에어러솔 광학두께와 파장멱지수(Angstrom exponent)를 꽃가루 농도와 에어로졸 광학 특성과의 상관관계 분석에 활용하였다.
레이저 빔은 먼 거리에서의 빔 퍼짐도를 줄여 관측 효율 향상을 위해 빔 확대기(beam expander)를 사용하여 빔의 직경을 10배로 확대하였다. 확대된 레이저 빔은 망원경의 중심에서 쏘아 올리는 Co-axial type 으로 설계되어 중첩고도의 영향을 최소화 하였다. 라이다의 관측 신호 (P(z))부터 고도(z)별 에어러솔 소산계수 (σa(z))를 얻기 위하여 다음과 같은 라이다 방정식을 사용하였다 (Klett, 1981; Fernald, 1984).
대상 데이터
본 연구에서 사용된 꽃가루 농도 자료는 현재 기상청에서 광주보훈병원 옥상 1.5 m 높이에 설치한 Burkard trap 으로부터 측정된 m3당 꽃가루의 갯수이이다. Burkard trap은 대기중의 바이오 에어러솔을 샘플링 하기 위하여 널리 사용되고 있으며 초기의 Hirst spore trap (Hirst, 1952)모델에 기원을 두고 있으며, 공기를 10 L/min 의 유량으로 흡입하여 드럼위에 장착된 끈끈한 테이프에 묻히는 방법을 사용한다.
이론/모형
라이다의 관측 신호 (P(z))부터 고도(z)별 에어러솔 소산계수 (σa(z))를 얻기 위하여 다음과 같은 라이다 방정식을 사용하였다 (Klett, 1981; Fernald, 1984).
한편, Dual-lidar 관측과 동시에 Cimel 선포토미터 관측을 수행하였고 그 결과는 전 세계 선포토미터 관측 네트워크인 AERONET(Holben et al., 1998)에서 사용되는 방법(Dubovik and King, 2000)으로 분석된 Level 2.0 자료를 활용하였다. 선포토미터 자료 중 에어러솔 광학두께와 파장멱지수(Angstrom exponent)를 꽃가루 농도와 에어로졸 광학 특성과의 상관관계 분석에 활용하였다.
성능/효과
Fig. 1(a)의 후방산란강도는 약 1.5 - 2.0 km 고도를 경계로 그 이하의 고도에서 강한 후방산란신호가 측정되어 고농도의 대기 에어러솔이 분포하였음을 보여주고, 2 km 이상의 고도에서는 후방산란신호가 미약하여 비교적 저농도의 대기 에어러솔이 3~4 km 고도까지 분포하고 있음을 보여준다. Fig.
1(b)는 동 시간대에 측정된 δ값을 보여준다. 2 km 이상의 고도에서는 편광소멸도가 0.06 이하로 낮은 값만이 측정되었으나, 2 km 이하의 고도에서는 일출 이후 09시경부터 0.1 이상의 값이 낮은 고도에서부터 관측되기 시작하여 12시에서 14시 경에 2 km까지 최고 고도를 보이고 그 이후 감소하는 형태를 보였다. 이러한 편광소멸도의 증가 현상은 3일의 관측 기간 동안 동일 시간대에 같은 현상이 반복되었다.
(2002) 는 장기간 관측된 AERONET 데이터를 이용하여 전세계 전역에서의 에어러솔 광학적 두께의 일변화를 연구하였다. 이를 통하여 평균적인 에어러솔 광학적 두께의 일변화는 아침부터 저녁까지 증가하거나 감소하는 등 지역과 오염원에 따라 다양한 형태를 나타낸다고 보고하였으나 본 연구에서와 같이 10시에서 15시의 시간대에만 증가하는 형태는 관측되지 않았다. 특히 국내의 안면도에서 장기 관측된 데이터는 도심 및 공업지역으로 분류되어 변화율이 5 % 이내로 사실상 일변화가 없는 것으로 보고하였다.
후속연구
이러한 꽃가루는 대기 에어러솔의 광학적 두께에 영향을 미쳐 낮 시간동안 광학적 두께를 증가시키고 파장멱지수는 감소시켰다. 이러한 연구결과를 살펴볼 때, 봄 철의 높은 꽃가루 농도는 대기 에어러솔의 주요한 요소로 작용할 수 있으며, 위성, 선포토미터 등의 원격 탐사 장비를 이용한 대기 에어러솔 관측 시 영향을 고려해야 할 요소로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Burkard trap은 무엇을 하기 위하여 널리 사용되는가?
5 m 높이에 설치한 Burkard trap 으로부터 측정된 m3당 꽃가루의 갯수이이다. Burkard trap은 대기중의 바이오 에어러솔을 샘플링 하기 위하여 널리 사용되고 있으며 초기의 Hirst spore trap (Hirst, 1952)모델에 기원을 두고 있으며, 공기를 10 L/min 의 유량으로 흡입하여 드럼위에 장착된 끈끈한 테이프에 묻히는 방법을 사용한다. 이 방법은 풍속이 샘플링 효율에 미치는 영향에 대해 아직 정확하게 알려져 있지 않으며 (Fægri and Iverson, 1989), 입자의 크기가 5 mm보다 작은 경우 포집 효과가 감소하는 것으로 알려져 있어 (Willeke and Macher, 1999) 일반적으로 입자의 크기가 큰 꽃가루의 샘플링에 적합하다 (Burge, 1992).
대기중의 꽃가루는 어떤 특징이 있는가?
대기중의 꽃가루는 생물학적으로 발생하는 자연현상이며, 꽃가루 입자 자체는 태양복사전달과정에 영향을 미치며, 시정을 악화시키는 등 대기환경을 저해하고, 건강문제에 부정적인 영향을 주기도 한다. 꽃가루에 대한 연구는 주로 꽃가루의 이동과 확산, 그리고 건강에 미치는 영향에 대해 이루어져 왔으나 대기 에어러솔로서 광학적 특성 및 기후변화에 미치는 영향에 대한 연구는 아직 미비하다.
Burkard trap은 공기를 10 L/min 의 유량으로 흡입하여 드럼위에 장착된 끈끈한 테이프에 묻히는 방법을 사용하는데, 이 방법의 특징은 무엇인가?
Burkard trap은 대기중의 바이오 에어러솔을 샘플링 하기 위하여 널리 사용되고 있으며 초기의 Hirst spore trap (Hirst, 1952)모델에 기원을 두고 있으며, 공기를 10 L/min 의 유량으로 흡입하여 드럼위에 장착된 끈끈한 테이프에 묻히는 방법을 사용한다. 이 방법은 풍속이 샘플링 효율에 미치는 영향에 대해 아직 정확하게 알려져 있지 않으며 (Fægri and Iverson, 1989), 입자의 크기가 5 mm보다 작은 경우 포집 효과가 감소하는 것으로 알려져 있어 (Willeke and Macher, 1999) 일반적으로 입자의 크기가 큰 꽃가루의 샘플링에 적합하다 (Burge, 1992).
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