[논문]HYSPLIT 모델을 이용한 김해지역의 PM10 수송 경로 분석

정우식; 박종길; 이보람; 김은별

doi:10.5322/jesi.2013.22.8.1043

HYSPLIT 모델을 이용한 김해지역의 PM10 수송 경로 분석
Analysis on the PM10 Transportation Route in Gimhae Region Using the HYSPLIT Model 원문보기

Journal of environmental science international = 한국환경과학회지, v.22 no.8, 2013년, pp.1043 - 1052

정우식 (인제대학교 대기환경정보공학과) , 박종길 (인제대학교 환경공학부) , 이보람 (케이웨더(주)) , 김은별 (인제대학교 대기환경정보공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This study was conducted to investigate the correlations between the $PM_{10}$ concentration trend and meteorological elements in the Gimhae region and analyze the transportation routes of air pollutants through back-trajectory analysis. Among the air quality measuring stations in the Gimhae regions, the $PM_{10}$ concentration of the Sambangdong station was higher than that of the Dongsangdong station. Also, an examination of the relationships between $PM_{10}$ concentration and meteorological elements showed that the greater the number of yellow dust occurrence days was and the lower the temperature and precipitation were, the higher the $PM_{10}$ concentration appeared. Furthermore, a cluster analysis through the HYSPLIT model showed that there were 4 clusters of trajectories that flowed into the Gimhae region and most of them originated in China. The meteorological characteristics of the four clusters were analyzed and they were similar to those of the air masses that influence South Korea. These analyses found that meteorological conditions affect the $PM_{10}$ concentration.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 PM₁₀과 기상 요소와의 관계를 살펴보고, HYSPLIT 모델을 이용하여 김해지역으로 유입되는 PM₁₀의 수송 경로를 파악하고자 하였다.
본 연구에서는 2006년부터 2011년까지 김해지역을 대상으로 하여 PM₁₀과 기상 요소간의 관계를 살펴보고, HYSPLIT 모델을 이용하여 대표적인 PM₁₀의 수송 경로를 살펴보았다. 황사 발생일 수, 강수량, 기온과 같은 기상 요소와의 연관성을 살펴본 결과, 다른 선행 연구의 결과와 유사하게 황사일 수가 많을수록, 강수일과 총 누적 강수량이 적을수록 PM₁₀ 농도가 높아지는 경향이 있었다.
본 연구에서는 HYSPLIT 모델을 이용한 역궤적 분석을 통해 기류의 이동 궤적을 추적하여 김해지역으로 유입되는 PM₁₀의 대표적인 수송 경로를 살펴보았다. 역궤적 분석에 사용한 기상 자료는 미국 NCEP의 기상 예측 모델 결과인 Global Data Assimilation System(이하 GDAS) 분석 자료를 이용하였다.
본 연구에서는 환경부 도시대기 측정망에서 베타선 흡수법에 의해 측정된 PM₁₀의 1시간 평균 자료를 사용하여 2006년부터 2011년 6년 동안의 김해시 동상동, 삼방동의 PM₁₀ 농도를 살펴보았다. 또한 기상 요소의 영향을 살펴보기 위해 사용된 Automatic Weather Station(이하 AWS)는 현재 부원동에 위치한 김해 지점(253) 자료를 사용하였는데, 이 지점은 2008년 2월부터 관측이 시작되었으므로 2009년 1월 자료부터 사용하였다.
본 연구에서는 황사, 연무, 박무, 강수와 같은 기상일을 PM₁₀ 농도에 영향을 미치는 특이 기상일로 정의하였다. Fig.

제안 방법

그리고 김해지역으로 유입되는 PM₁₀의 수송 경로를 살펴보기 위해 GDAS 자료를 입력 자료로 사용하여 HYSPLIT 모델을 수행하였다. HYSPLIT 수치모의를 통한 군집 분석을 수행한 결과, 총 4개의 군집으로 분류되었으며, 대부분 중국으로부터 유입되는 수송 경로를 나타내었다.
역궤적 분석에 사용한 기상 자료는 미국 NCEP의 기상 예측 모델 결과인 Global Data Assimilation System(이하 GDAS) 분석 자료를 이용하였다. 모사 시간은 72시간이고, 모델 시작 시간(starting time)은 일중 기온이 가장 높은 시간대인 15 LST(06 UTC)로 설정하였다. 또한 분석 지점의 좌표는 동상동(35.
2의 6년 평균 PM₁₀ 농도를 보면 동상동이 더 높게 나타남). 역궤적 경로는 AGL(Above Ground Level)이 1,500 m인 고도에서 각각 3시간 간격으로 총 3일(72시간)에 대해 모사되었다.
연구 기간인 2006년부터 2011년까지 총 6년 동안 동상동(Fig. 8의 ★)에 대한 역궤적 분석을 실시하였으며, 이 결과를 바탕으로 군집 분석(Cluster analysis)을 수행하였다(Fig. 8). 본문에서는 삼방동의 군집 분석 결과는 제시하지 않았지만, 삼방동의 결과에서도 동상동과 유사하게 4개의 군집으로 분류되었으며, 군집별 경로도 유사하게 나타났다.

대상 데이터

각 군집별 유입 특성을 살펴보면, 군집 1은 중국 장쑤성 부근에서 발원하여 남서풍 계열의 바람을 타고 유입되는 사례이다. 군집 2는 내몽골에서 서해안을 거쳐 김해지역으로 유입된 사례이고, 군집 3은 다른 군집과는 다르게 일본 시마네현과 인접해있는 동해로부터 유입되는 경로를 보이며, 군집 4는 중국 랴오닝성으로 부터 유입되는 사례이다.
농도를 살펴보았다. 또한 기상 요소의 영향을 살펴보기 위해 사용된 Automatic Weather Station(이하 AWS)는 현재 부원동에 위치한 김해 지점(253) 자료를 사용하였는데, 이 지점은 2008년 2월부터 관측이 시작되었으므로 2009년 1월 자료부터 사용하였다.
의 대표적인 수송 경로를 살펴보았다. 역궤적 분석에 사용한 기상 자료는 미국 NCEP의 기상 예측 모델 결과인 Global Data Assimilation System(이하 GDAS) 분석 자료를 이용하였다. 모사 시간은 72시간이고, 모델 시작 시간(starting time)은 일중 기온이 가장 높은 시간대인 15 LST(06 UTC)로 설정하였다.
이에 본 연구에서는 동남권 주요 대도시인 부산광역시에 인접한 경상남도 김해지역을 연구대상지역으로 선정하였다. 김해지역은 지리적으로 해안가와 인접해 있고, 다른 한 쪽은 산으로 둘러싸인 연안 분지 지역이다.

이론/모형

국내에서는 Jung과 Lee(2003)가 수치모델인 MM5와 대기질 이동확산 모델인 Industrial Source Complex Model version 3(ISC3)와 Urban Airshed Model(UAM)을 이용하여 김해지역의 대기질을 예측하였으며, Lee 등(2002)과 Kim 등(2012)은 각각 LCM (Local Circulation Model)과 WRF(Weather Research and Forecasting)를 이용하여 고농도 대기오염 현상의 기상학적 특징을 살펴보았다. 그리고 Lee 등(2006)은 위성 자료를 이용한 대기질 예측을 위해 기단의 이동 경로를 파악하기 위하여 HYbrid Single-Particle Lagrangian integrated Trajectory4(이하 HYSPLIT) 모델을 적용하였다. 또한, Kim 등(2007)은 MM5 모델 결과를 입력 자료로 한 HYSPLIT 모델을 이용하여 수도권의 오존 오염 사례를 대상으로 공기괴 재순환 현상을 살펴보았으며, Kim 등(2008)은 기단의 중·장거리 이동 경로를 파악하기 위하여 역궤적 모델을 이용하였고, Lee 등(2010)은 제주도를 대상으로 역궤적 분석을 통해 주요 대기 에어로졸 성분들의 이동과 유입 경로를 파악하였다.
김해지역에 유입되는 PM₁₀의 역궤적을 계산하기 위해서 미국 NOAA에서 개발한 HYSPLIT4를 이용하였다(Draxler와 Rolph, 2003). HYSPLIT 모델은 NOAA에서 개발되어 현재 호주 기상청(Bureau of meteorology)과 함께 최신 버전으로 개선하고 있는 모델이다(Lee 등, 2010).

성능/효과

의 수송 경로를 살펴보기 위해 GDAS 자료를 입력 자료로 사용하여 HYSPLIT 모델을 수행하였다. HYSPLIT 수치모의를 통한 군집 분석을 수행한 결과, 총 4개의 군집으로 분류되었으며, 대부분 중국으로부터 유입되는 수송 경로를 나타내었다. 각 군집별 기상학적 요소를 살펴본 결과, 군집 1은 주로 남풍 계열의 바람이 주풍향으로 나타났으며, 4개의 군집 중 가장 많은 평균 강수량을 기록한 반면, 군집 2는 주로 북서풍 계열의 바람이 나타났고, 기온과 평균 강수량은 가장 낮은 특징을 보여 각각 우리나라에 영향을 미치는 북태평양 기단, 시베리아 기단과 관련된 것을 알 수 있었다.
HYSPLIT 수치모의를 통한 군집 분석을 수행한 결과, 총 4개의 군집으로 분류되었으며, 대부분 중국으로부터 유입되는 수송 경로를 나타내었다. 각 군집별 기상학적 요소를 살펴본 결과, 군집 1은 주로 남풍 계열의 바람이 주풍향으로 나타났으며, 4개의 군집 중 가장 많은 평균 강수량을 기록한 반면, 군집 2는 주로 북서풍 계열의 바람이 나타났고, 기온과 평균 강수량은 가장 낮은 특징을 보여 각각 우리나라에 영향을 미치는 북태평양 기단, 시베리아 기단과 관련된 것을 알 수 있었다.
공기 중에 배출되는 PM₁₀은 봄철과 겨울철의 황사 현상이나 난방 연료의 연소에 의해 많이 발생하기 때문에 지금까지 살펴본 황사, 강수량, 기온과 같은 기상 요소가 농도에 영향을 미치는 것으로 나타났다. Han(2008)은 PM₁₀ 농도와 풍향, 강수와 같은 기상 요소간의 상관관계를 살펴보았는데, 이 중 낮은 강수는 PM₁₀ 농도를 증가시킬 수 있는 요인으로 작용하였다고 밝혔다.
특히, 군집 1과 군집 2는 다른 군집에 비해 보다 주풍향이 뚜렷하였다. 기온의 경우, 군집 1과 3이 군집 2와 4에 비해 높게 나타났으며 강수량을 살펴보면, 군집 1의 경우가 평균 강수량이 최대로 나타났으며, 풍향과 기온에서 서로 유사한 특징을 보인 군집 3에 비해서도 많다는 것을 알 수 있다. 반면 군집 2는 평균 강수량이 최소로 나타났으며, 역시 유사한 특징을 보인 군집 4와 비교해도 적은 것을 알 수 있다.
김해지역으로 유입되는 대표적인 4개 군집별 궤적 수와 평균 농도를 살펴본 결과(Table 1), 군집별 궤적 수가 가장 많은 군집은 군집 2로 나타났으며 PM₁₀ 평균 농도 또한 가장 높게 나타났다. 그리고 군집 4, 군집 3, 군집 1 순서로 궤적 수가 많게 나타났다.
또한, 각 군집별로 해당 궤적 일에 대한 평균 풍속, 주풍향, 기온, 강수량과 같은 기상 요소에 대해 살펴본 결과(Table 2, Fig. 9), 군집 1과 3은 남풍 계열, 군집 2와 4는 북풍 계열의 바람이 주풍향으로 나타났으며, Fig. 9의 바람장미로 주풍향을 확인할 수 있었다. 특히, 군집 1과 군집 2는 다른 군집에 비해 보다 주풍향이 뚜렷하였다.
황사 발생일 수, 강수량, 기온과 같은 기상 요소와의 연관성을 살펴본 결과, 다른 선행 연구의 결과와 유사하게 황사일 수가 많을수록, 강수일과 총 누적 강수량이 적을수록 PM₁₀ 농도가 높아지는 경향이 있었다. 또한, 계절별로 살펴보더라도 하계보다는 봄철이나 동계에 PM₁₀ 농도가 더 높게 나타나는 것을 알 수 있었다.
2(b))를 살펴보면, 두 경우 모두에서 동상동은 농도가 일정하게 유지되는 경향을 보였고, 삼방동은 점차 감소하는 경향을 보였다. 또한, 동상동과 삼방동의 6년간 평균 PM₁₀ 농도를 살펴보면, PMDs를 포함하였을 때는 각각 48 ㎍/㎥, 45 ㎍/㎥, PMDs를 제외하였을 때는 43㎍/㎥, 38 ㎍/㎥로 삼방동보다는 동상동의 농도가 더 높게 나타났다. 이는 동상동이 상대적으로 도심에 가깝기 때문에 PM₁₀과 같은 대기오염물질에 더 많이 노출된 것으로 사료된다.
8). 본문에서는 삼방동의 군집 분석 결과는 제시하지 않았지만, 삼방동의 결과에서도 동상동과 유사하게 4개의 군집으로 분류되었으며, 군집별 경로도 유사하게 나타났다. 이것은 이들 두 관측 지점에서의 기상 상태가 서로 유사하다는 것을 의미하며, 두 관측 지점 중 비교적 고농도가 나타나는 동상동을 대상으로 고농도 사례일에 영향을 미치는 기상학적 특성을 분석하는 것이 타당하다고 판단되어 동상동의 군집 분석 결과를 제시하였다.
의 수송 경로를 살펴보았다. 황사 발생일 수, 강수량, 기온과 같은 기상 요소와의 연관성을 살펴본 결과, 다른 선행 연구의 결과와 유사하게 황사일 수가 많을수록, 강수일과 총 누적 강수량이 적을수록 PM₁₀ 농도가 높아지는 경향이 있었다. 또한, 계절별로 살펴보더라도 하계보다는 봄철이나 동계에 PM₁₀ 농도가 더 높게 나타나는 것을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	김해지역의 특징은?	이에 본 연구에서는 동남권 주요 대도시인 부산광역시에 인접한 경상남도 김해지역을 연구대상지역으로 선정하였다. 김해지역은 지리적으로 해안가와 인접해 있고, 다른 한 쪽은 산으로 둘러싸인 연안 분지 지역이다. 또한, 공업 및 주거 지역, 농공단지가 형성되어 도시 전역에 각종 오염원이 분포하고 있으며, 인근 대도시 지역인 부산광역시와 울산광역시, 그리고 창원시에서 발생한 오염물질이 해륙풍, 산곡풍과 같은 국지풍의 영향으로 수송 및 순환되어 국지적으로 고농도 오염을 나타낼 수 있는 조건에 있다. 현재 김해 지역의 대기질 측정소는 동상동 지점(이하 동상동)과 삼방동 지점(이하 삼방동)에 위치하고 있으며, 각각 1995년, 2003년부터 PM10을 포함한 SO2, CO, O3, NO2를 측정하고 있다.
	우리나라의 경우 PM10의 장거리 수송에 의한 영향이 매우 큰 이유는?	대기 중에 존재하는 다양한 오염물질 중 특히, PM10은 자연적, 인위적인 경로 외에도 2차적인 기원 등 다양한 경로를 통하여 생성된다. 또한 PM10은 체류 시간이 길기 때문에 중위도 편서풍 대에 위치한 우리나라의 경우 장거리 수송에 의한 영향도 매우 크게 나타난다(Son과 Kim, 2009). 그리고 해안과 내륙 지역의 국지적 바람 조건에 따라서도 PM10의 농도가 달라질 수 있는 등(Song과 Shon, 2008; Lee 등, 2010) 배출원에서 발생한 대기오염물질은 기상 상태에 크게 영향을 받을 수 있다.
	김해지역을 대상으로 하여 PM10과 기상 요소간의 관계를 살펴보고, HYSPLIT 모델을 이용하여 대표적인 PM10의 수송 경로를 살펴본 결과는?	본 연구에서는 2006년부터 2011년까지 김해지역을 대상으로 하여 PM10과 기상 요소간의 관계를 살펴보고, HYSPLIT 모델을 이용하여 대표적인 PM10의 수송 경로를 살펴보았다. 황사 발생일 수, 강수량, 기온과 같은 기상 요소와의 연관성을 살펴본 결과, 다른 선행 연구의 결과와 유사하게 황사일 수가 많을수록, 강수일과 총 누적 강수량이 적을수록 PM10 농도가 높아지는 경향이 있었다. 또한, 계절별로 살펴보더라도 하계보다는 봄철이나 동계에 PM10 농도가 더 높게 나타나는 것을 알 수 있었다. 그리고 김해지역으로 유입되는 PM10의 수송 경로를 살펴보기 위해 GDAS 자료를 입력 자료로 사용하여 HYSPLIT 모델을 수행하였다. HYSPLIT 수치모의를 통한 군집 분석을 수행한 결과, 총 4개의 군집으로 분류되었으며, 대부분 중국으로부터 유입되는 수송 경로를 나타내었다. 각 군집별 기상학적 요소를 살펴본 결과, 군집 1은 주로 남풍 계열의 바람이 주풍향으로 나타났으며, 4개의 군집 중 가장 많은 평균 강수량을 기록한 반면, 군집 2는 주로 북서풍 계열의 바람이 나타났고, 기온과 평균 강수량은 가장 낮은 특징을 보여 각각 우리나라에 영향을 미치는 북태평양 기단, 시베리아 기단과 관련된 것을 알 수 있었다.

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National Institute for Resources & Environment 35 63 2000

저자의 다른 논문 :

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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