[논문]에어로졸 광학변수가 대기복사가열률 산정에 미치는 민감도 분석

김상우; 최인진; 윤순창; 김유미

doi:10.14191/atmos.2013.23.1.085

에어로졸 광학변수가 대기복사가열률 산정에 미치는 민감도 분석
Sensitivity of Aerosol Optical Parameters on the Atmospheric Radiative Heating Rate 원문보기

대기 = Atmosphere, v.23 no.1, 2013년, pp.85 - 92

김상우 (서울대학교 지구환경과학부) , 최인진 (한국형 수치예보모델개발사업단) , 윤순창 (서울대학교 지구환경과학부) , 김유미 (서울대학교 지구환경과학부)

초록
AI-Helper

2001년 4월 제주 고산기후관측소에서 AERONET sun/sky radiometer와 MPL을 통해 관측된 에어로졸 광학적 두께, 단산란 알베도, 비대칭 변수, 에어로졸 소산계수 프로파일 등을 대기복사모델의 입력 자료로 이용하여 대기가열효과를 산정하고, 이들 광학변수가 대기복사가열률에 미치는 영향을 분석하였다. 본 연구에서는 NCAR Climate Community Model (CCM-3.6)에 포함되어 있는 복사 모듈인 Column Radiation Model (CRM-2.1.2)을 연직 54층으로, AERONET sun/sky radiometer로부터 관측된 4 파장 (440, 670, 870, 그리고 1020 nm)에서의 관측 자료를 19개의 파장에서 계산 가능하도록 수정하였다. 에어로졸층이 존재하지 않은 맑은 날 (4월 14일과 16일)은 지표면과 대기상단에서의 에어로졸 직접복사강제력이 각각 $-20{\sim}-25\;W\;m^{-2}$와 $-10{\sim}-15\;W\;m^{-2}$로, 대기 중 흡수는 $+10{\sim}+15\;W\;m^{-2}$였다. 에어로졸층이 관측된 4월 15일과 4월 17~18일의 경우 지표면, 대기, 대기상단의 에어로졸 복사강제력이 맑은 날에 비해 3~4배 정도 크게 나타났다. 4월 14일과 16일에의 대기복사가열률 (${\Delta}H$)는 $1{\sim}2\;K\;day^{-1}$ 범위에서 산출되었으며, 4월 15일과 4월 17~18일에는 MPL 관측에서 보여지는 에어로졸층에서의 ${\Delta}H$와 ${\Delta}H_{aerosol}$가 각각 $3\;K\;day^{-1}$ 이상과 $1{\sim}3\;K\;day^{-1}$ 범위에서 산정되었다. 에어로졸 광학적 두께와 비대칭 변수의 변화에 따른 에어로졸층의 ${\Delta}H$ 변화는 미미하였으나, 단산란 알베도의 10% 변화는 지표면과 대기상단에서의 에어로졸 직접복사강제력의 30%, 대기복사강제력의 약 60%, 그리고 에어로졸층 ${\Delta}H$의 약 35% 변화를 유발하였다. 이는 에어로졸 광학적 두께 10% 변화와 비교하여 대기흡수 또는 에어로졸층의 가열 및 냉각 효과가 6배 가량 큰 결과로, 태양복사를 효과적으로 잘 흡수하는 에어로졸의 양에 의해 대기 가열 또는 ${\Delta}H$가 크게 좌우됨을 의미한다. 2001년 4월부터 2008년 3월까지 제주 고산기후관측소에서의 AERONET sun/sky radiometer 관측 자료를 이용하여 계산한 ${\Delta}H$와 ${\Delta}H_{aerosol}$의 월변화를 보면, ${\Delta}H$는 4~8월 사이에 대류권 하부에서 약 $1.0\;K\;day^{-1}$ 이상으로 뚜렷하게 나타났으나, ${\Delta}H_{aerosol}$의 경우 2월부터 6월까지 고도 2 km 이하에서 약 $0.8\;K\;day^{-1}$ 이하의 범위에서 나타나는데, 이는 대부분의 에어로졸이 지표면 부근의 대기경계층에 존재하며, 봄철 황사와 오염 에어로졸의 증가에 의한 영향으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

We estimate atmospheric radiative heating effect of aerosols, based on AErosol RObotic NETwork (AERONET) and lidar observations and radiative transfer calculations. The column radiation model (CRM) is modified to ingest the AERONET measured variables (aerosol optical depth, single scattering albedo, and asymmetric parameter) and subsequently calculate the optical parameters at the 19 bands from the data obtained at four wavelengths. The aerosol radiative forcing at the surface and the top of the atmosphere, and atmospheric absorption on pollution (April 15, 2001) and dust (April 17~18, 2001) days are 3~4 times greater than those on clear-sky days (April 14 and 16, 2001). The atmospheric radiative heating rate (${\Delta}H$) and heating rate by aerosols (${\Delta}H_{aerosol}$) are estimated to be about $3\;K\;day^{-1}$ and $1{\sim}3\;K\;day^{-1}$ for pollution and dust aerosol layers. The sensitivity test showed that a 10% uncertainty in the single scattering albedo results in 30% uncertainties in aerosol radiative forcing at the surface and at the top of the atmosphere and 60% uncertainties in atmospheric forcing, thereby translated to about 35% uncertainties in ${\Delta}H$. This result suggests that atmospheric radiative heating is largely determined by the amount of light-absorbing aerosols.

주제어

AI 본문요약
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가설 설정

1(a)는 제주 고산기후관측소에서 2001년 4월 14일부터 18일까지 단파장 MPL (523 nm) 관측으로부터 산출된 에어로졸 소산계수의 연직 분포를 그린 것이다. 에어로졸 소산계수는 Fernald (1984)에서 제시된 방법을 이용하여 계산하였으며, 에어로졸 소산계수 계산 시 필요한 라이다 상수는 과거의 연구에서 보고된 50 sr을 고도에 따라 일정한 상수로 가정하여 사용하였다 (Yoon et al., 2008; 윤순창 등, 2010; 김만해 등, 2011). 4월 15일 02 LST부터 24 LST까지, 그리고 4월 16일 20 LST부터 4월 18일 20 LST무렵까지 에어로졸층이 각각 약 0.

제안 방법

2001년 4월 제주 고산기후관측소에서 AERONET sun/sky radiometer와 MPL을 통해 관측된 에어로졸 광학적 두께, 단산란 알베도, 비대칭 변수, 에어로졸 소산계수 프로파일 등을 대기복사모델의 입력 자료로 이용하여 대기가열효과를 산정하고, 이들 광학변수가 대기복사가열률에 미치는 영향을 분석하였다. 본 연구에서는 NCAR Climate Community Model (CCM-3.
CRM은 19개 파장에서의 계산을 통해 0.2~5 μm 파장 범위의 태양복사 플럭스를 산출하기 때문에, AERONET sun/sky radiometer로부터 관측된 4 파장 (440, 670, 870, 그리고 1020 nm; Table 1 참고)에서의 에어로졸 광학적 두께, 단산란 알베도, 비대칭 변수 자료를 log λ-log χ 평면 (λ: 파장, χ: 3가지 관측 자료)에서 선형회귀 방법을 이용하여 CRM에서 필요로 하는 19개 파장에서의 에어로졸 광학 변수 값을 산출할 수 있도록 CRM 내의 에어로졸 모듈을 수정하였다.
2(a)에 제시된 에어로졸 광학적 두께, 단산란 알베도, 그리고 비대칭 변수 값을 각각 10% 증감하여 계산하였을 때의 ΔH 프로파일을 그린 것이다. Che et al. (2008)에 제시된 바와 같이 관측 방법과 자료 분석 알고리즘에 따라, 특히 단산란 알베도의 경우 많은 차이를 나타내기 때문에 본 연구에서는 10%의 변화를 통한 민감도 분석을 수행하였다. 에어로졸 광학적 두께 (Fig.
에어로졸 소산계수를 연직 적분하면 에어로졸 광학적 두께를 얻을 수 있으므로, 본 연구에서는 AERONET sun/sky radiometer로부터 관측된 에어로졸 광학적 두께를 MPL로부터 관측된 에어로졸 소산계수 프로파일에 할당하여 적용하는 방법으로 에어로졸 연직 분포를 고려하였다. 그러나, AERONET sun/sky radiometer의 경우 연직 적분된 에어로졸 광학 특성을 관측하기 때문에 대기복사가열률 계산 시 단산란 알베도와 비대칭 변수는 AERONET sun/sky radiometer에서 관측된 값을 고도와 무관하게 적용하였다. 마지막으로 복사 전달 계산에 있어 중요한 변수 중 하나인 지표 알베도는 NASA/LaRC의 Atmospheric Sciences Data Center에서 제공하는 2.
본 연구에서는 2001년 4월 제주 고산기후관측소에서 AErosol RObotic NETwork (AERONET) sun/sky radiometer와 Micro Pulse Lidar (MPL, 523 nm)를 통해 관측된 에어로졸 광학적 두께 (aerosol optical depth; AOD), 단산란 알베도 (single scattering albedo; SSA), 비대칭 변수 (asymmetric parameter; ASY), 에어로졸 소산계수 프로파일 등을 대기복사모델의 입력 자료로 이용하여 맑은 날, 황사와 오염입자가 우세히 존재하는 사례일의 대기 가열효과를 산정하고, 각각의 광학 변수가 대기복사가열률에 미치는 영향을 분석하였다.
본 연구에서는 NCAR Climate Community Model (CCM-3.6)에 포함되어 있는 복사 모듈인 Column Radiation Model (CRM-2.1.2)을 연직 54층으로, AERONET sun/ sky radiometer로부터 관측된 4 파장 (440, 670, 870, 그리고 1020 nm)에서의 관측 자료를 19개의 파장에서 계산 가능하도록 수정하였다.
본 연구에서는 대기복사가열률을 계산하기 위하여 NCAR Climate Community Model (CCM-3.6)에 포함되어 있는 복사 모듈인 Column Radiation Model (CRM-2.1.2; http://www.cgd.ucar.edu/cms/crm)을 AERONET sun/sky radiometer와 라이다 관측자료를 모델의 입력 자료로 사용할 수 있도록 수정하여 사용하였다. 초기 버전과 비교하여, 모델의 연직 계산을 18층에서 54층(지표면부터 약 고도 63 km)으로 확대하였다.
에어로졸 소산계수를 연직 적분하면 에어로졸 광학적 두께를 얻을 수 있으므로, 본 연구에서는 AERONET sun/sky radiometer로부터 관측된 에어로졸 광학적 두께를 MPL로부터 관측된 에어로졸 소산계수 프로파일에 할당하여 적용하는 방법으로 에어로졸 연직 분포를 고려하였다. 그러나, AERONET sun/sky radiometer의 경우 연직 적분된 에어로졸 광학 특성을 관측하기 때문에 대기복사가열률 계산 시 단산란 알베도와 비대칭 변수는 AERONET sun/sky radiometer에서 관측된 값을 고도와 무관하게 적용하였다.
이러한 황사와 오염 에어로졸에 의한 ΔHaerosol을 정량적으로 산출하고, 이를 통해 월 및 계절 변화 특성을 이해하기 위하여 본 연구에서는 2001년 4월부터 2008년 3월까지 약 7년간 제주 고산에서 AERONET sun/sky radiometer 관측 자료 (총 관측 자료 수: 9692개)와 MPL 자료 (총 17,437개의 시간 평균된 소산계수 프로파일)를 이용하여 ΔH와 ΔHaerosol를 계산하였다.

대상 데이터

마지막으로 복사 전달 계산에 있어 중요한 변수 중 하나인 지표 알베도는 NASA/LaRC의 Atmospheric Sciences Data Center에서 제공하는 2.5 × 2.5° 수평 해상도를 지닌 Surface Radiation Budget 자료를 이용하였다.

이론/모형

본 연구에서는 MPL로 관측된 에어로졸 소산계수의 연직 분포를 사용하였다 (Murayama et al., 2001; Yoon et al., 2008).

성능/효과

2001년 4월부터 2008년 3월까지 제주 고산기후관측소에서의 AERONET sun/sky radiometer 관측 자료를 이용하여 계산한 ΔH와 ΔHaerosol의 월변화를 보면, ΔH는 4~8월 사이에 대류권 하부에서 약 1.0 K day-1 이상으로 뚜렷하게 나타났으나, ΔHaerosol의 경우 2월부터 6월까지 고도 2 km 이하에서 약 0.8 K day-1 이하의 범위에서 나타나는데, 이는 대부분의 에어로졸이 지표면 부근의 대기경계층에 존재하며, 봄철 황사와 오염 에어로 졸의 증가에 의한 영향으로 판단된다.
, 2008; 윤순창 등, 2010; 김만해 등, 2011). 4월 15일 02 LST부터 24 LST까지, 그리고 4월 16일 20 LST부터 4월 18일 20 LST무렵까지 에어로졸층이 각각 약 0.5~2 km와 0.5~2.5 km 고도에 안정적으로 존재함을 볼 수 있다. MPL과 동일한 지점에서 관측된 AERONET sun/sky radiometer 자료를 보면 (Table 1), 4월 15일, 17일, 그리고 18일의 에어로졸 광학적 두께 (675 nm)는 각각 0.
그러나 단산란 알베도의 10% 증감은 지표면과 대기상단에서의 에어로졸 직접복사강제력의 30%, 대기복사강제력의 약 60%, 그리고 에어로졸층 ΔH의 약 35% 변화를 유발하였다.
에어로졸 광학적 두께와 비대칭 변수의 변화에 따른 에어로졸층의 ΔH 변화는 미미하였으나, 단산란 알베도의 10% 변화는 지표면과 대기상단에서의 에어로졸 직접복사강제력의 30%, 대기복사강제력의 약 60%, 그리고 에어로졸층 ΔH의 약 35% 변화를 유발하였다.
36이었다. 이를 통해 4월 15일 관측된 에어로졸층의 경우 상대적으로 크기가 작은 오염 에어로졸이 우세하게 존재하고, 4월 17-18일에 관측된 에어로졸층의 경우 입자 크기가 상대적으로 큰 황사 입자가 우세하게 존재함을 알 수 있다. 이 기간 지상에서 각각 30 μg m^-3 과 15 μg m^-3 이하로 관측된 PM₁₀과 PM_2.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	광흡수 에어로졸은 어떤 역할을 하는가?	블랙카본 (black carbon), 브라운카본 (brown carbon), 그리고 황사와 같이 태양복사흡수효율이 높은 광흡수 에어로졸들은 태양 빛을 효과적으로 산란 및 반사시키는 황산염과 같은 에어로졸들과 함께 지표면에 도달하는 태양복사에너지를 감소시켜 지표면 냉각효과를 유발하지만, 한편으로는 온실기체와 더불어 대기를 가열하는 역할을 한다 (Carlson and Benjamin, 1979; Quijano et al., 2000; Kim et al.
	광흡수 에어로졸의 예는?	블랙카본 (black carbon), 브라운카본 (brown carbon), 그리고 황사와 같이 태양복사흡수효율이 높은 광흡수 에어로졸들은 태양 빛을 효과적으로 산란 및 반사시키는 황산염과 같은 에어로졸들과 함께 지표면에 도달하는 태양복사에너지를 감소시켜 지표면 냉각효과를 유발하지만, 한편으로는 온실기체와 더불어 대기를 가열하는 역할을 한다 (Carlson and Benjamin, 1979; Quijano et al., 2000; Kim et al.
	단산란 알베도의 변화가 에어로졸 직접복사 강제력, 대기복사 강제력, 에어로졸층의 변화를 유발한 것은 어떤 의미인가?	에어로졸 광학적 두께와 비대칭 변수의 변화에 따른 에어로졸층의 ΔH 변화는 미미하였으나, 단산란 알베도의 10% 변화는 지표면과 대기상단에서의 에어로졸 직접복사강제력의 30%, 대기복사강제력의 약 60%, 그리고 에어로졸층 ΔH의 약 35% 변화를 유발하였다. 이는 에어로졸 광학적 두께 10% 변화와 비교하여 대기흡수 또는 에어로졸층의 가열 및 냉각 효과가 6배 가량 큰 결과로, 태양복사를 효과적으로 잘 흡수하는 에어로졸의 양에 의해 대기가열 또는 ΔH가 크게 좌우됨을 의미한다. 2001년 4월부터 2008년 3월까지 제주 고산기후관측소에서의 AERONET sun/sky radiometer 관측 자료를 이용하여 계산한 ΔH와 ΔHaerosol의 월변화를 보면, ΔH는 4~8월 사이에 대류권 하부에서 약 1.

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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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