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문제 정의
- 본 연구에서는 한반도 남동지역에서 발생한 고농도 오존 사례에 대해 내륙의 대구와 연안의 부산을 수용지로 하는 수반민감도 분석을 실시하여 고농도 오존이 발생한 주변지역의 영향을 살펴보았다.
가설 설정
- Fig. 9는 대구를 중심으로 남-북(a)와 동-서(b)단면에 대한 영향지역 분포이다. 수용지 대구는 화살표로 표시하였다.
제안 방법
- 동일한 수반민감도 변수가 모든 파라미터에 대해 사용되기 때문에 수반 모델을 역으로 한번만 적분할 경우 모든 파라미터에 대한 민감도를 얻을 수 있다. 역방향 수반모델 계산을 위해 오존 농도에 대한 기본 순방향 CMAQ결과를 10분 간격으로 상태벡터를 저장하였다. 수반민감도 분석은 단순히 기상장의 역궤적에 대한 의미를 포함하는 것이 아니라 난류 확산과 복잡한 화학 반응식에 의한 영향이 동시에 고려되는 것으로 수송의 효과와 화학반응의 영향을 다각적으로 분석할 수 있다.
- 모델의 초기장과 경계 자료에 사용된 입력 자료는 NCEP (National Centers for Environmental Prediction)의 재해석 자료이며 6시간 간격의 1°×1° 자료를 사용하였다. 해풍 진입에 대한 경로와 강도에 대한 정확도를 위해 창원의 윈드 프로파일러 자료(Fig. 2의 화살표 지점)를 자료동화하였다.
- 5 (Byun and Ching, 1999)를 사용하였다. WRF의 도메인 3과 4의 영역을 따르는 범위로 도메인 설정을 하여 각각 기상장 결과를 대기질 모델에 적용하였다. 최종 도메인은 한반도 남동지역으로 연안에 포항, 울산, 부산, 창원 등의 산업도시와 내륙의 대구를 포함하는 영역이다.
- 수치모의 기간은 다음 절에 설명할 고농도 오존사례인 2008년 8월 4일과 5일을 대상으로 하며 36시간의 기상과 대기질 모델의 spin-up시간을 포함한다. 수반민감도 분석은 8월 5일 15시에 발생한 고농도에 대한 주변지역의 효과를 보기 위해 8월 4일 15시부터 24시간에 대해서 수행하였다.
- 2)하였다. 내륙과 연안에 미치는 해륙풍 순환계의 영향이 다르기 때문에 두 도시에 대한 민감도를 비교분석하였다. 오존농도에 영향을 미치는 민감도 대상물질로 NOx를 설정하였다.
- CMAQ의 기본 모사능력을 살펴보기 위해 대구 지역내 4개 지점의 8월 4일-6일의 오존 관측치와 비교하였다(Fig. 5). 3일 모두 일사의 일변화에 의한 전형적인 오존의 일변화 패턴이 나타났으며 수치모의를 통해 이러한 경향성을 잘 모의였다.
- 지상 관측 결과와 모델 수치모의에서 확인된 고농도 오존사례에 대한 주변지역의 NOx 기여도 분석을 위해 10분마다 계산된 수반민감도 값을 시간별로 살펴보았다. Fig.
- 대부분의 오염 배출원이 지표부근에 위치하지만 대기경계층의 일변화와 연직 혼합에 의해 상층에서 수송되는 효과도 중요하다. 입체적인 민감도 분석을 위해 남-북 및 동-서 단면으로 영향지역을 살펴보았다. Fig.
- 이상의 결과에서 매 시간별 NOx 농도에 대한 민감도를 분석하였다. 하지만, 이는 해륙풍순환에 의한 기류의 영향이 고려된 것으로 계산영역에서 나타난 영향지역은 배출된 NOx 농도의 순간적인 위치에 따른 민감도가 반영된다.
- 내륙과 연안의 고농도 오존에 대한 NOx 배출량의 민감도를 행정구역별로 산정해 보았다. 계산 영역 전체의 민감도 계수를 %로 나타낸 결과에 대해 행정구역별 총합이 차지하는 비율을 제시하였다.
- 본 연구에서는 한반도 남동지역에서 발생한 고농도 오존사례에 대해 내륙의 대구와 연안의 부산을 각각 수용지로 하여 NOx에 대한 수반민감도 분석을 실시하였다. 민감도 분석을 통해 각 수용지의 고농도 오존을 유발한 공간적인 영향지역을 파악하였고 시군구별 기여도를 정량적으로 평가하였다.
- 에 대한 수반민감도 분석을 실시하였다. 민감도 분석을 통해 각 수용지의 고농도 오존을 유발한 공간적인 영향지역을 파악하였고 시군구별 기여도를 정량적으로 평가하였다.
- NOx에 대한 오존 민감도 분석으로 사례일 기준 -24시간동안의 영향지역 변화를 살펴보았다. 대구를 수용지로 한 경우 사례일 당일과 전날에 대한 민감도 지역에 모두 나타났으며 영역이 구분되는 특징이 있었다.
- 전체 기여정도에 대한 각 시군구별 NOx 배출량의 정량적 기여정도를 백분율로 제시하였다. 그 결과 대구를 수용지로 할 경우 포항의 기여도가 가장 높았으며 부산의 경우 울주군의 영향이 가장 컸다.
- 또한 본 연구는 초기 전구 물질 중 민감도가 크며, 관측 자료의 정확도가 높은 NOx를 중심으로 이루어졌다. 그러나 NOx와 함께 오존 생성 광화학 반응에 참여하는 VOCs에 대한 민감도 역시 고려되어야 한다.
대상 데이터
- 모델의 초기장과 경계 자료에 사용된 입력 자료는 NCEP (National Centers for Environmental Prediction)의 재해석 자료이며 6시간 간격의 1°×1° 자료를 사용하였다.
- WRF의 도메인 3과 4의 영역을 따르는 범위로 도메인 설정을 하여 각각 기상장 결과를 대기질 모델에 적용하였다. 최종 도메인은 한반도 남동지역으로 연안에 포항, 울산, 부산, 창원 등의 산업도시와 내륙의 대구를 포함하는 영역이다. 네스팅을 통해 최종도메인으로 유입되는 오염물질에 대한 경계 자료를 마련하였다.
- 수반민감도 분석을 위한 수용지는 대구와 부산으로 설정(Fig. 2)하였다. 내륙과 연안에 미치는 해륙풍 순환계의 영향이 다르기 때문에 두 도시에 대한 민감도를 비교분석하였다.
- 내륙과 연안에 미치는 해륙풍 순환계의 영향이 다르기 때문에 두 도시에 대한 민감도를 비교분석하였다. 오존농도에 영향을 미치는 민감도 대상물질로 NOx를 설정하였다. 비록 VOCs가 오존의 광화학 반응에 미치는 영향도 매우 중요하지만 인간의 활동에 의한 배출원이 대부분인 NOx의 영향을 살펴보는 것이 배출량 저감정책과 관련하여 더 중요하다.
- 사례일은 여름철 북태평양 고기압의 영향으로 한반도에 고기압 중심이 자리하며 남동 연안으로 북동풍의 종관풍이 약하게 불었다. 연안으로는 해륙풍 순환이 발생하여 풍향과 풍속의 일주기가 연속적으로 나타났다.
이론/모형
- 연구에 사용된 기상 수치모형은 WRF (Weather Research and Forecasting model) V3.2 (Skamarock et al., 2008)로서 수평으로는 Arakawa-C 격자체계를 사용하는 압축성 비정수 모형이다. 이 모델은 다양한 규모의 기상현상을 재현하는 데 적용되며, 예측 안정성은 이전 연구를 통하여 확인되었다(Lee and Yun, 2011; Lee, 2012; Moon et al.
- 대기질 수치모형은 CMAQ (Community Multiscale Air Quality) V4.5 (Byun and Ching, 1999)를 사용하였다. WRF의 도메인 3과 4의 영역을 따르는 범위로 도메인 설정을 하여 각각 기상장 결과를 대기질 모델에 적용하였다.
- 자세한 모델 구성은 Table 1과 2에 정리하였다. 배출량 자료의 경우 국립환경과학원의 2007년 CAPSS (Clean Air Policy Supporting System)자료를 사용하여 배출량 모델인 SMOKE에서 산출된 시간 및 공간 할당 계수를 적용하였다. 모델링 기간 동안 적용된 NOx와 VOCs의 배출량 공간분포는 Fig.
- VOCs도 마찬가지로 대규모 배출원은 앞서 언급한 도심지에 분포하지만 교외지역의 산림에 의한 식생 VOCs에 의한 배출량도 나타난다. CMAQ의 수반모델은 HARC/TERC (Houston Advanced Research Center/Texas Environmental Research Consortium)의 프로젝트 H98(University of Huston, 2009)의 일환으로 Virginia Tech에서 개발한 수반코드를 사용하였다(Hakami et al., 2007).
성능/효과
- 기상모델의 야간 혼합층 모의의 부정확성과 일사가 끝난 직후 오존의 과도한 적정효과 등으로 야간 오존 농도의 정확성이 낮다. 남동지역 모든 관측지점과 모델의 오존 농도에 대한 통계분석 결과 RMSE는 20.7 ppb이고 IOA는 0.881로 나타나 통계적으로 유의한 결과이다.
- 대구의 오존에 영향을 미치는 지역은 모든 시간대에서 민감도를 보여 고농도 사례일과 전날의 배출원에 의한 영향이 동시에 나타났다. 하지만 부산을 수용지로 할 경우 사례일 당일의 배출효과는 거의 없었다.
- 4일 21 LST(-18시)의 결과를 보면 대구의 지표근처에서는 거의 민감도가 나타나지 않고 경계층 고도 근처와 동쪽과 연직으로 넓은 지역에서 약 5%이상으로 높은 기여를 하였다. 이상의 결과를 볼 때, 대구의 지표 오존농도에 영향을 미치는 NOx 농도 효과는 지표부근 수송뿐 아니라 경계층 발달의 일변화와 함께 나타나는 상층의 수송과 경계에서 유입되는 NOx의 영향도 중요하다.
- 배출량의 민감도를 행정구역별로 산정해 보았다. 계산 영역 전체의 민감도 계수를 %로 나타낸 결과에 대해 행정구역별 총합이 차지하는 비율을 제시하였다. 공간적인 분포는 Fig.
- 이 두 지역의 민감도차이는 향후 기류변화에 대한 화학반응 특징을 좀 더 살펴봐야 할 것이다. 수평 분포와 함께 연직의 영향지역 분포를 살펴봄으로써 대기경계층의 일변화와 고기압 침감 등에 의한 연직 방향에 대한 민감도 지역의 변화를 볼 수 있었다. 또한, 지표 근처의 전구물질 수송과 함께 상층의 이류현상에 의한 오존 농도의 민감도 역시 중요함을 수반민감도의 연직분석을 통해 밝혔다.
- 배출량의 정량적 기여정도를 백분율로 제시하였다. 그 결과 대구를 수용지로 할 경우 포항의 기여도가 가장 높았으며 부산의 경우 울주군의 영향이 가장 컸다. 북동-남동-남으로 순환하는 해륙풍의 영향으로 경주의 이동 배출원은 대구와 부산 모두에 각각 10.
- 비록 하나의 고농도 사례를 통한 연구지만 정체성 고기압 영향으로 발달하는 해륙풍 순환은 한반도 남동지역에서 고농도 오존 사례를 유발하는 전형적인 기상조건이다. 이상의 결과들을 통해 수용지 중심의 민감도 분석을 기상학적인 전구물질의 수송과 더불어 제시하였으며 내륙과 연안에 영향을 주는 시간 규모가 다름을 밝혔다. 또한 행정구역별 기여도를 정량적으로 제시하여 지자체별 배출량 저감정책에 필요한 구체적인 참고자료로 활용 가능하다.
후속연구
- 반면, 부산을 수용지로 한 민감도 분석은 해풍의 직접적인 영향으로 사례일 당일 보다는 전 날인 8월 4일의 NOx 농도에 대한 영향지역이 더 중요하였다. 이 두 지역의 민감도차이는 향후 기류변화에 대한 화학반응 특징을 좀 더 살펴봐야 할 것이다. 수평 분포와 함께 연직의 영향지역 분포를 살펴봄으로써 대기경계층의 일변화와 고기압 침감 등에 의한 연직 방향에 대한 민감도 지역의 변화를 볼 수 있었다.
- 이상의 결과들을 통해 수용지 중심의 민감도 분석을 기상학적인 전구물질의 수송과 더불어 제시하였으며 내륙과 연안에 영향을 주는 시간 규모가 다름을 밝혔다. 또한 행정구역별 기여도를 정량적으로 제시하여 지자체별 배출량 저감정책에 필요한 구체적인 참고자료로 활용 가능하다.
- 그러나 NOx와 함께 오존 생성 광화학 반응에 참여하는 VOCs에 대한 민감도 역시 고려되어야 한다. 또한 수반 모형의 장점 중에 하나인 관측 자료를 통한 배출원 정보 정확도 향상이라는 측면에서, 남동지역의 배출원을 관측 자료를 통하여 역추적하여 배출원 정확도를 향상시키는 연구가 병행되어야 할 것이다.
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