[논문]시·공간적 풍계에 따른 부산지역 고농도 PM2.5의 일변화 특성

김부경; 이동인; 김정창; 이준호

doi:10.5467/jkess.2012.33.6.469

시·공간적 풍계에 따른 부산지역 고농도 PM2.5의 일변화 특성
Characteristics of Diurnal Variation of High PM2.5 Concentration by Spatio-Temporal Wind System in Busan, Korea 원문보기

한국지구과학회지 = Journal of the Korean Earth Science Society, v.33 no.6, 2012년, pp.469 - 480

김부경 (부경대학교 지구환경공학연협동과정) , 이동인 (부경대학교 환경대기과학과) , 김정창 (부경대학교 선박실습운영센터) , 이준호 (부경대학교 선박실습운영센터)

초록
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본 연구는 3년(2005. 12. 1-2008. 11. 30) 동안 부산의 $PM_{2.5}$ 대기오염자동관측소(장림동: 공업지역, 좌동: 주거지역) 측정자료 중 고농도 $PM_{2.5}$(24시간 환경기준 $50{\mu}g/m^3$)에 대한 $PM_{2.5}$ 및 $PM_{2.5}/PM_{10}$ 농도비의 일변화 특성과 함께 시 공간적 풍계(풍향 및 풍속)에 따른 특성을 분석하고자 하였다. 고농도 $PM_{2.5}$는 장림동과 좌동 각각 182일 및 27일이었다. 장림동에서 고농도 $PM_{2.5}$의 시간평균농도 및 $PM_{2.5}/PM_{10}$ 농도비의 일변화는 모든 계절에서 오후에 비해 새벽과 오전 및 야간에 높은 비슷한 패턴을 나타내었다. 좌동의 여름 주간에 $PM_{2.5}/PM_{10}$ 농도비가 증가하는 것은 해양조건에서 광화학반응에 의해 생성되는 이차 입자상물질 중 $PM_{10}$의 거대입자 농도가 미세입자인 $PM_{2.5}$ 농도보다 더 감소하기 때문이다. 시간대별로 시 공간적 풍계(풍향 및 풍속등급) 특성을 분석하였다. 그 결과, 고농도 $PM_{2.5}$는 장림동에서 공업단지의 산업활동에 의한 오염물질 정체와 주변지역의 오염물질 이동에 의해 발생되었다. 좌동에서는 주로 주거와 상업활동으로 인한 지역적 오염물질 정체로 발생하는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study was to analyze the characteristics of diurnal variation of high $PM_{2.5}$ concentration, $PM_{2.5}/PM_{10}$ concentration ratio by spatio-temporal wind system (wind speed and wind direction) for high $PM_{2.5}$ concentration (over the 24 hr environmental standard of $PM_{2.5}$, $50{\mu}g/m^3$) in the air quality observation sites (Jangrimdong: Industrial area, Jwadong: Residential area) that were measured for 3 years (2005. 12. 1-2008. 11. 30) in Busan. The observation days of high $PM_{2.5}$ concentration were 182 at Jangrimdong and 27 at Jwadong. The seasonal diurnal variation of hourly mean of high $PM_{2.5}$ concentration and of $PM_{2.5}/PM_{10}$ concentration ratio showed a similar pattern that had higher variation at dawn, and night and in the morning than in the afternoon. Durning daytime in summer at Jwadong, the $PM_{2.5}/PM_{10}$ concentration ratio increased because a secondary particulate matter, which was created by photochemical reaction, decreased the coarse particles of $PM_{10}$ more than the fine particles of $PM_{2.5}$ concentrations in ocean condition. We did an analysis of spatio-temporal wind system (wind speed range and wind direction) in each time zone. The result showed that high $PM_{2.5}$ concentration at Jangrimdong occurred due to the congestion of pollutants emissions from the industrial complex in Jangrimdong area and the transportation of pollutants from places nearby Jangrimdong. It also showed that high $PM_{2.5}$ concentration occurred at Jwadong because of a number of local residential and commercial activities that caused the congestion of pollutants.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

Fig. 3의 풍향빈도 일변화에서 잠재적 오염원의 계절 및 시간적 영향을 알 수 있지만, 기상요소 중 오염물질의 확산 및 정체 등 고농도 발생에 중요한 역할을 하는 풍속을 함께 고려하여 고농도 발생을 해석하고자 하였다. 우리나라에서는 아직 풍속과 관련하여 등급을 구분한 내용은 없으며, 미국 EPA에서의 풍속 등급 기준은 6등급으로 미국 29개 대도시의 평균풍속 7 m/s를 감안한 자료이다(강호근, 2010).
이러한 배경에서, 본 연구에서는 부산지역 PM2.5 측정소의 시간별 농도측정 자료를 이용하여 PM2.5 대기환경기준(24시간 기준 50 µg/m3)을 초과한 날을 고농도 사례로 선정하고, 지점별 고농도 PM2.5 및 PM2.5/PM10 농도비 일변화 특성과 함께 기상관측 자료(풍향 및 풍속)을 이용한 고농도 PM2.5의 시·공간적 풍계(wind system) 특성을 조사해 보았다.

제안 방법

4개의 풍향 및 3개의 풍속등급으로 분류한 시간대별 누적농도와 발생횟수로 평균농도를 구하여 고농도 PM2.5의 시·공간적 풍계 변화의 계절별 변동특성을 분석하였다.
배출량을 제외하고 고농도 PM2.5에 대한 기상요소(풍향 및 풍속)의 영향을 알아 보기 위해 시·공간적 풍계 변동특성을 분석하였다.
우리나라에서는 아직 풍속과 관련하여 등급을 구분한 내용은 없으며, 미국 EPA에서의 풍속 등급 기준은 6등급으로 미국 29개 대도시의 평균풍속 7 m/s를 감안한 자료이다(강호근, 2010). 본 연구에서는 3개의 풍속 등급(2 m/s 이하, 2-4 m/s, 4 m/s 초과)으로 구분(강재수, 2008)하여 적용하였다. 2 m/s 이하 풍속등급에서는 오염물질이 정체되어 고농도가 발생할 수 있고, 2-4 m/s 풍속등급 및 4 m/s 초과 풍속등급에서는 측정소 및 인접한 주변지역의 오염물질이 이동되어 농도가 가중되거나 경감될 수 있다.
5에서 기상요소 중 풍향 및 풍속의 계절별 특성을 나타낸 것이다. 본 연구에서는 고농도를 유발하는 특정오염원의 위치를 찾기보다 수용점인 측정소에서의 개괄적인 오염원을 추정하고 그 영향을 분석하고자 Fig. 3의 16방위별 풍향빈도를 4개(북동풍(NE), 남동풍(SE), 남서풍(SW) 및 북서풍(NW))로 구분하여 발생빈도와 백분율(%)로 나타내었다. 그 결과, 지점들 모두 전체 북서풍(NW)이 가장 많은 빈도를 나타내었으며, 계절별 북서풍(NW)의 빈도는 장림동과 좌동의 겨울에 가장 많았다.
부산지역 대기오염자동측정망 중 공업지역인 장림동과 주거지역인 좌동의 최근 3년간(2005. 12. 1-2008. 11. 30) PM2.5 시간농도 측정자료를 이용하여 고농도 PM2.5의 시간별 PM2.5 농도 및 PM2.5/PM10 농도비 일변화 특성과 함께 기상관측 자료(풍향 및 풍속)을 이용한 고농도 PM2.5의 시·공간적 풍계 특성을 분석한 결과는 다음과 같다.
해안에 위치한 부산은 Fig. 3의 풍향빈도 일변화 특성에서처럼 국지순환계(해륙풍) 영향으로 계절에 따라 시간대별로 풍향 특성이 달라지므로 24시간을 새벽(01-06시, I)과 오전(07-12시, II), 오후(13-18시, III) 및 야간(19-24시, IV)으로 구분하였다. 4개의 풍향 및 3개의 풍속등급으로 분류한 시간대별 누적농도와 발생횟수로 평균농도를 구하여 고농도 PM_2.

대상 데이터

고농도 사례는 현재 β선 흡수법(β-ray absorption method)으로 측정하고 있는 대기오염자동측정망의 PM2.5 시간별 농도측정 자료 중 일평균 농도 유효분석 자료의 99백분위수가 24시간 기준 50 µg/m3을 초과하는 날을 선정하였다(환경부, 2010).
기상자료는 각 측정소의 PM2.5 농도측정 자료와 함께 대기오염자동측정망에서 관측된 기상자료를 이용하여야 하지만, 현재 대기오염자동측정망의 기상관측자료는 관측기기의 유지 및 보수 등 관리상의 문제로 제공되지 않아 본 연구에서는 시·공간적 풍계특성 분석을 위해 기상청의 기상관측자료를 이용하였다.
5 측정소가 위치한 장림동 및 좌동은 각각 서구와 수정동을 중심으로 한 동구 일부지역 및 수영구와 해운대구 권역으로 분류되었다. 따라서, 본 연구에서 기상관측 자료는 측정소가 위치한 지역의 국지적 특성을 반영하고자 이화운 외(2006)의 바람권역 구분에 따라 장림동은 부산지방기상대(159), 좌동은 해운대(937)의 기상관측자료 중 풍향과 풍속의 시간별 관측자료(매시 정각 전 10분간 평균치)를 이용하였다. 좌동 AWS의 경우 지역대표성에 대한 과학적 검증은 수행되지 않았으나, 기상청의 기상측기 설치기준에 적합한 위치에 설치되어 있고 관측환경 매뉴얼을 만족하고 있다 (김민경 외, 2009).
5 측정소 4개소(장림동, 연산동, 기장읍 및 좌동)는 용도 지역상 공업지역인 장림동, 주거지역인 연산동과 기장읍 및 좌동으로 구분된다. 본 연구에서는 공업단지가 있는 부산 서부 남단의 장림동과 대단위 공동주택이 밀집되어 있는 동부의 좌동을 선정하여 Fig. 1에 나타내었다. 연산동은 관측오류로 인해 자료를 신뢰할 수 없어 제외하였다(전병일, 2010).
분석자료는 2005년 12월 1일부터 2008년 11월 30일(3년간)까지 부산지역의 기상청 관측자료 중 강수와 황사가 관측된 날을 분석에서 제외한 PM_2.5 측정 소(장림동 및 좌동)의 시간별 농도측정 자료 중 1일 18시간(75%) 이상 관측된 날의 자료를 일평균 농도 산정을 위한 유효분석 자료로 이용하였다. 고농도 사례는 현재 β선 흡수법(β-ray absorption method)으로 측정하고 있는 대기오염자동측정망의 PM_2.

성능/효과

1. 지역별 PM_2.5 고농도일은 강수 및 황사 발생일을 제외하고 장림동과 좌동에서 각각 182일과 27일로 계절별로는 장림동에서 겨울에 65일 및 좌동에서 봄에 8일로 가장 많이 나타났다. 장림동에서 연간 및 계절별 평균농도는 70.
2. 고농도 PM_2.5의 시간대별 평균농도 일변화는 장림동에서 계절에 상관없이 새벽과 오전 및 야간에 높고 오후에 낮아지는 일정한 패턴을 나타내었고, 좌동에서는 장림동과 달리 계절별로 일변화 특성이 서로 다르게 나타났다.
3. PM_2.5/PM₁₀ 농도비 일변화는 장림동에서 계절별로 여름과 겨울, 봄 및 가을 순으로 새벽과 오전 및 야간에 높고 오후에 낮아져 평균농도 일변화 패턴과 비슷하게 시간에 상관없이 일정하게 나타났다. 좌동에서는 여름에 계절 중 농도비가 가장 높게 나타났 으며, 주간에 평균농도가 증가하지 않음에도 불구하고 농도비가 증가하였다.
4. 고농도 PM2.5의 시·공간적 풍계 특성을 분석한 결과, 장림동에서 2 m/s 이하 풍속등급의 평균농도는 전반적으로 60-80 µg/m3 사이에 분포하며 고농도에 기여하였고, 2-4 m/s 풍속등급은 2 m/s 이하 풍속등급과 비슷한 분포지만 특정 풍향의 시간대에서 더 높은 농도를 나타내었다.
5. 측정소별 고농도 PM2.5 및 PM2.5/PM10 농도비의 일변화 특성과 용도지역 및 지리적 환경에 따른 시·공간적 풍계 특성으로 고농도 PM2.5의 기상요소(풍향 및 풍속) 영향을 분석할 수 있었다.
장림동에서는 봄과 여름의 주간에 남풍과 남서풍계열의 빈도가 집중되었고, 야간에는 북동풍과 북서풍 계열의 빈도가 나타났다. 가을과 겨울에는 새벽과 야간에 북동풍과 북서풍 계열의 빈도가 집중되었으며, 주간에 남서풍과 남동풍 계열의 빈도가 나타났다. 좌동에서는 장림동에서 처럼 끊어지지 않고 연결되면서 특정시간에 집중적으로 나타나는 특징과 달리 산재되어 흩어져 나타나는 특징을 가지고 있다.
고농도 PM2.5의 시간별 PM2.5/PM10 농도비 일변화에서 장림동은 고농도 PM2.5의 시간별 평균농도 일변화 패턴과 유사하게 새벽과 야간에 높고 주간에 낮은 형태를 나타내었으며, 여름>겨울>봄>가을 순으로 계절별로 일정한 비율로 유지되었다.
3의 16방위별 풍향빈도를 4개(북동풍(NE), 남동풍(SE), 남서풍(SW) 및 북서풍(NW))로 구분하여 발생빈도와 백분율(%)로 나타내었다. 그 결과, 지점들 모두 전체 북서풍(NW)이 가장 많은 빈도를 나타내었으며, 계절별 북서풍(NW)의 빈도는 장림동과 좌동의 겨울에 가장 많았다. 장림동에서 봄에 남서풍(SW), 여름에 남동풍(SE) 및 가을과 겨울에 북서풍(NW)의 빈도가 많았으며, 좌동에서는 봄과 여름에 남서풍(SW), 가을과 겨울에 북서풍 (NW)의 빈도가 많았다.
5에서 2 m/s 이하 풍속등급의 평균농도는 계절별로 특정 풍향의 시간대를 제외하고 꾸준히 나타나는 반면, 2-4 m/s 풍속등급의 평균농도 분포는 계절 및 시간대에 따라 불특정하게 나타났다. 또한 4 m/s 초과 풍속등급은 여름에 남서풍(SW)의 오전(II)과 오후(III)를 제외하고 나타나지 않아 좌동에서 고농도 발생원인은 장림동에서처럼 주변 지역의 오염물질이 이동되어 가중되기 보다는 좌동에서 배출된 오염물질의 정체효과가 큰 것으로 나타났다.
전병일(2010)의 연구와 비교하여 전체적인 일변화 패턴은 비슷하지만 각 계절별로 시간별 농도변화가 다르게 나타났다. 본 연구에서 장림동은 공업단지가 형성되어 있으므로 오염물질의 배출과 이에 따른 농도가 높을 것으로 예상되는 지역으로, 산업활동에 의한 오염물질 배출로 인해 기온과 풍속이 낮은 새벽에 정체효과로 농도가 높고 출근시간대 교통량 증대로 인해 농도가 보다 증가하였다. 그러나 일출 이후에는 기온상승으로 인한 대기의 불안정과 오후에 기온 및 대기혼합고가 최대가 되어 활발한 대기확산의 영향으로 농도가 감소되는 것으로 판단된다.
북동풍(NE)에서 야간(IV)에 정체효과를 나타내는 2 m/s 이하 및 오염물질 이동으로 농도가 증가 또는 감소될 수 있는 2-4 m/s 풍속등급이 각각 80 µg/m3 및 100 µg/m3으로 나타나 공업단지의 산업활동에 의해 배출되는 오염물질이 정체되고, 2-4 m/s 풍속등급에서 농도가 감소되지 않고 증가하는 것으로 보아 장림동 북동쪽의 공장과 도심지의 오염물질이 이동하여 농도가 가중되는 것으로 판단된다.
4 m/s 초과 풍속등급은 북동풍(NE)에서 새벽(I)과 오전(II) 에 100 µg/m³ 이상으로 가장 높았고, 남서풍(SW)에서 야간(IV)에 90 µg/m³으로 나타났다. 새벽(I)과 오전(II)에 2 m/s 이하 풍속등급의 정체효과와 함께 남동풍(SE)을 제외하고 북동풍(NE)과 남서풍(SW)에서 2-4 m/s 및 4 m/s 초과 풍속등급에서 오염물질이 이동되어 농도가 가중되는 것으로 나타났다. Fig.
2-4 m/s 풍속등급은 북동풍(NE)과 남동풍(SE)에서 오후(III)와 야간(IV)에 60 µg/m³ 이하였으나, 남동풍(SE)에서 새벽(I)과 오전(II)에 100 µg/m³이상을 나타내었다. 새벽(I)과 오전(II)에 2 m/s 이하 풍속등급의 정체효과와 함께 장림동 남동쪽의 항구를 이용하는 선박과 차량 등에서 배출되는 오염물질이 2-4 m/s 풍속등급에 의해 농도가 가중되는 것으로 나타났다.

후속연구

5의 24시간 대기환경기준은 시간별 농도자료를 평균하여 판단하므로 특정 시간대의 농도가 대기환경기준 초과 여부를 결정하는지를 조사하기 위하여 시간별 농도자료의 일변화 특성을 분석할 필요성이 있다. 그리고 지역적 배출원 뿐만 아니라 주위 배출원의 오염물질 이동으로 PM_2.5 농도의 일변화 특성에 영향을 미치는 기상요소에 대한 연구가 필요하다. 그러나 기상요소를 이용하여 고농도 PM_2.
5에 대한 기상요소의 영향과 예측 및 효율적인 관리방안에 더 많은 기여할 수있을 것이며, 풍향을 세분한다면 특정오염원에 대해 기존 연구에서처럼 공간적 영향뿐만 아니라 시간적 영향까지 세밀히 분석할 수 있을 것이다. 또한 일변화 및 풍계특성을 분석한 결과를 토대로 PM_2.5를 특정 시간대별로 채집하여 이온 및 중금속 등 성분분석을 한다면 지역배출원의 특성과 함께 특정배출원의 광역 이동 등 시·공간적 특성에 대해 자세히 연구할 수 있을 것이다.
5의 기상요소(풍향 및 풍속) 영향을 분석할 수 있었다. 본 연구에서는 기상청의 기상관측자료를 이용하였기 때문에 PM_2.5측정소에서 기상요소의 영향을 정확하게 분석 할 수 없는 한계가 있다. 향후 대기오염자동측정망에서 신뢰할 수 있는 기상관측자료를 수집한다면 부산지역 측정소 규모의 고농도 PM_2.
5측정소에서 기상요소의 영향을 정확하게 분석 할 수 없는 한계가 있다. 향후 대기오염자동측정망에서 신뢰할 수 있는 기상관측자료를 수집한다면 부산지역 측정소 규모의 고농도 PM_2.5에 대한 기상요소의 영향과 예측 및 효율적인 관리방안에 더 많은 기여할 수있을 것이며, 풍향을 세분한다면 특정오염원에 대해 기존 연구에서처럼 공간적 영향뿐만 아니라 시간적 영향까지 세밀히 분석할 수 있을 것이다. 또한 일변화 및 풍계특성을 분석한 결과를 토대로 PM_2.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대기오염물질 중 입자상 물질은 어떻게 구분되는가?	대기오염물질 중 입자상 물질은 입경분포의 크기에 따라 직경 10 µm 이하인 PM10과 직경 2.5 µm 이하인 PM2.5로 구분된다. 직경 2.
	대도시에서 발생하는 미세먼지 농도는 무엇의 영향을 크게 받는가?	5의 성분 및 물리·화학적 특성에 대한 연구와 샘플러를 통해 24시간 이상 채집하여 이온성분 및 중금속성분 등을 분석한 연구(김춘선 외, 1998;전보경 외, 2000; 최금찬 외, 2000; 전보경 외, 2001;김기현 외, 2004; 박기형 외, 2004)들이 있다. 그러나 대도시에서 발생하는 미세먼지 농도는 지역의 배출원 종류 및 계절에 따른 연료사용량의 변화, 일일주기로 일어나는 오염원, 미기상학적인 변동 등의 영향을 크게 받는다(박기형과 권오열, 2006). 미세먼지 농도를 지배하는 요인으로는 배출원 이외에도 기상현상이 중요하기 때문에(신찬기 외, 1992), 도시지역의 대기질을 지배하는 기상요소들이 오염특성을 해석하는데 중요한 정보로 제공되어져 왔다(이화운 외, 1999; 김지아 외, 2007; 신문기 외, 2007).
	부산과 같은 대도시에서 배출된 오염물질은 어떤 특징이 있는가?	부산과 같은 대도시에서는 오염물질의 직접적인 배출과 관련된 배출원 중 차량 및 철도 등 이동배출원의 경우 출퇴근 시간대에 급증하고, 주거, 상업 및 공업지역 등의 고정배출원은 이용 및 가동시간대에 따라 배출량이 변화한다. 또한 배출된 오염물질은주·야간 기온과 국지순환풍(해륙풍)의 변화로 인해 정체 또는 확산되어 시간에 따라 농도가 변화한다. 그러므로 일정 기간 풍향 및 풍속으로 발생원 추정 또는 기여도를 연구하기보다는 시간대별로 변화하는 풍계(wind system) 특성을 고려한 입체적인 연구가 필요하다.

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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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