[논문]항공기 배출량 산정 방법에 따른 공항주변 대기오염 영향분석연구

한승재; 유정우; 임윤진; 이순환; 이화운

doi:10.5322/jesi.2014.23.12.2089

항공기 배출량 산정 방법에 따른 공항주변 대기오염 영향분석연구
Impact of Air Pollutant Emissions from Aircraft on the Air Pollution around Airport 원문보기

Journal of environmental science international = 한국환경과학회지, v.23 no.12, 2014년, pp.2089 - 2099

한승재 (부산대학교 환경시스템협동과정) , 유정우 (부산대학교 지구환경시스템학부) , 임윤진 (국립기상연구소 응용기상연구과) , 이순환 (부산대학교 지구과학교육과) , 이화운 (부산대학교 지구환경시스템학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Emissions from aircraft have impacts on the air pollution of airport and the surrounding area. There are methods of emissions calculated as Tier 1, Tier2, Tier 3A and Tier 3B. Thus, this study investigated emissions from aircraft at the Gimhae International Airport using EDMS(Emissions & Dispersion Modeling System) program. Results of estimation from aviation emissions, Tier 3B considering all parts which can occur at the airport has the largest amount emissions. In order to understand the relation between aviation emissions and distribution of ozone concentration over airport area, numerical evaluation were carried out. Although the difference of surface ozone distribution between numerical assessment with and without aviation emissions was little, effects of air pollution at airport area from aviation emissions of NOx and VOCs.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

05° 공간해상도의 OSTIA 일평균 해수면 온도 자료를 사용하였다. 또 한반도 기상대 총 93지점에서 관측된 풍속 및 기온 자료를 Observation Nudging 방법을 통해 수치모의에 반영하여 기상장 수치모의 결과의 정확도를 높여 오염물질의 이류 및 화학반응에 있어 기상장에서 생기는 오차를 줄이고자 하였다.
본 연구에서는 항공기 배출가스 산정방법에 따른 항공기 배출량을 산정하고 이를 토대로 대기질 수치모의를 실시하였다. 배출량 산정방법은 항공기 연료 소모량을 이용하는 Tier 1, 항공기 연료 소모량과 LTO 횟수를 고려하는 Tier 2, 항공기 배출 뿐만 아니라 공항에서 발생할 수 있는 모든 부분을 함께 산출하는 Tier 3B로 나뉜다.
이러한 배경에서, 이 연구에서는 김해 국제공항을 연구지역으로 선정하여 배출가스 산정방법에 따른 항공기 배출량을 산정하고 항공기 배출량을 고려한 기상 및 대기질 수치모의를 통해 김해국제공항 및 인접한 부산 지역 대기질에 끼치는 영향을 살펴보았다.

제안 방법

기상 및 대기질 수치모의 정확도를 정량적으로 판단하기 위하여 본 연구지역 주변의 기상관측 9개 지점, 대기질 측정망 20개 지점의 자료를 이용하여 통계적 분석을 실시하였다. 본 연구에 적용된 통계지수는 R, IOA(Index of Agreement)와 RMSE(Root Mean Square Error)이다.
김해국제공항의 항공기 배출량을 고려함으로써 공항 자체 대기질에 미치는 영향을 정량적으로 알아보기 위해 케이스별 차이를 시간별로 나타냈다(Fig. 9). CAPSS 배출량을 이용한 Base 시나리오의 경우 오전 7시 이후 오존농도가 꾸준히 증가하여 13시 60 ppb가 나타나며 이후 농도가 감소한다.
산정방법에 따라서는 Tier 1과 Tier 2는 Tier 3A, 3B에 비해 차이가 적고 VOCs 등의 물질이 산정되지 않았으며, Tier 3B가 Tier 3A 보다 많은 배출량이 산정되었다. 따라서 본 연구에서는 Tier 1과 Tier 3B, 그리고 지속적으로 증가하는 항공기 운항을 고려하여 미래 예상 시나리오로써 추가적으로 Tier 3B 배출량에 2배에 해당하는 Tier 3B_2 배출량을 이용하여 대기질 수치 모의에 적용하였다.
모델의 초기자료 및 경계자료는 NCEP에서 6시간마다 제공되는 공간해상도 1°×1°의 FNL 자료를 사용하였으며, 경계조건에서 생기는 오차를 줄이기 위해 4개의 도메인을 설정하여 nesting 방법을 사용하였다.
2는 시나리오별 NOx 및 VOCs 배출량의 분포를 나타낸 그림이다. 본 연구에서 항공기 배출량을 고려하기 위해서 CAPSS 배출량만을 고려한 Base 시나리오와 항공기에서 배출되는 NOx와 VOCs, SOx, CO, PM 배출량을 김해공항 면적에 해당하는 1 km x 1 km 수평격자 4개에 배출량을 추가하였다.
본 연구에서는 미연방항공국(Federal Aviation Administration) EDMS(Emissions & Dispersion Modeling System) v5.1.4.1을 이용하여 지상지원장비, 보조동력장치, 주차시설, 도로, 고정소스, 화재훈련을 적용하였으며 항공기 배출을 기본으로 모든 배출 결과를 합해 배출량을 산출하였다.

대상 데이터

Tier 1은 가장 산출하기 쉬워 널리 사용되는 방법으로 다른 공항과는 달리 김해공항은 국내 및 국제선의 운항 편수와 기종이 비슷하여 보잉사의 B737 모델의 연료 사용량을 적용하였으며 한국공항공사에서 제공하는 자료를 활용하여 다음과 같은 방법으로 배출량을 산정하였다.
4는 대기질 관측망에서 측정한 지표 오존농도값과 대기질 모델의 결과를 시계열로 비교해 나타낸 그림이다. 대기질 관측망 지점은 김해공항에서 배출된 오염물질이 바람에 의해 이류되어 영향을 미칠 수 있는 풍하측 지역으로 부산 덕천동(238181)과 부산 청룡동(221211) 관측망 자료를 이용하였다.
대기질 수치모의 3차원 광화학 모델 CMAQ을 수행하기 위한 기상입력자료는 WRF 결과에서 부산 및 김해를 포함한 Domain4 영역을 사용하였으며, 수평격자는 1 km 해상도로 격자는 118×118이다.
보다 정밀한 수치모의 결과를 얻기 위해서 지형자료는 고해상도 지형인 Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) 3초 자료와 환경부에서 제공하는 중분류 토지피복도 3초 자료를 사용하였으며, 영국 Met office에서 제공하는 0.05°×0.05° 공간해상도의 OSTIA 일평균 해수면 온도 자료를 사용하였다.
본 연구는 항공기 배출량을 고려한 대기질 수치모의를 위해서 최근 김해국제공항에서 항공기 운항이 가장 많았던 날이 2013년 8월 7일을 사례일로 선정하였다. 사례일의 00UTC와 12UTC의 지상일기도를 Fig.
본 연구에서 사용된 기상 수치모델은 WRF로 수치모의 영역은 Fig. 4와 같다. 한반도를 중심으로 최종 도메인 4는 김해 및 부산 지역을 포함하여 1km의 수평해상도를 가지며, 연직층은 총 29개 층으로 구성된다.
본 연구의 대상지역은 부산광역시 강서구 대저동에 위치한 김해국제공항으로 부지 6,518,572 m²에 국내 및 국제선 여객터미널, 평균 길이 3,000 m의 비행 활주로 2개 등으로 이루어져 있다. 한국공항공사(KAC : Korea Airport Corporation)에 따르면 김해국제공항은 국내 14개 공항 중 이용객 수 기준으로 인천, 제주, 김포에 이은 4번째로 운항이 많으며 국제선 이용객 수는 인천국제공항에 이어 2번째로 많은 것으로 나타났다.
4와 같다. 한반도를 중심으로 최종 도메인 4는 김해 및 부산 지역을 포함하여 1km의 수평해상도를 가지며, 연직층은 총 29개 층으로 구성된다.

이론/모형

대기질 수치모의 3차원 광화학 모델 CMAQ을 수행하기 위한 기상입력자료는 WRF 결과에서 부산 및 김해를 포함한 Domain4 영역을 사용하였으며, 수평격자는 1 km 해상도로 격자는 118×118이다. 광화학 메커니즘은 CB-V (Carbon Bonde V)이며, 에어로졸 메커니즘은 AERO5를 적용하였다.
연구에 적용된 물리 옵션은 Table 1에 제시하였다. 구름들에 대한 요소인 미물리는 WRF Single-Moment3-class scheme, 복사에너지에 대한 해석은 RRTM scheme, 지상 기상요소에 대한 해석은 Noah Land Surface Model, 대기 경계층 내 해석은 Mellor-Yamada -Janjic PBL scheme을 적용하였다.
기상 및 대기질 수치모의 정확도를 정량적으로 판단하기 위하여 본 연구지역 주변의 기상관측 9개 지점, 대기질 측정망 20개 지점의 자료를 이용하여 통계적 분석을 실시하였다. 본 연구에 적용된 통계지수는 R, IOA(Index of Agreement)와 RMSE(Root Mean Square Error)이다. 각각은 시계열의 전체적인 일치 정도, 최대치의 이격, 그리고 예측치와 실측치의 편차를 의미한다.

성능/효과

4배 이상 증가하며 산정방법 중 가장 높은 수치를 보였다. SOx와 VOCs 물질은 Tier 3 방식에서만 배출량이 산출되었고, PM은 배출량은 모든 산정방법에서 가장 적게 산출되었다. 산정방법에 따라서는 Tier 1과 Tier 2는 Tier 3A, 3B에 비해 차이가 적고 VOCs 등의 물질이 산정되지 않았으며, Tier 3B가 Tier 3A 보다 많은 배출량이 산정되었다.
청룡동 지점에서는 두 번째 피크를 잘 모의하지 못하며 관측자료 보다 일찍 농도가 감소하는 경향을 보였다. 결과적으로 대기질 모델의 오존농도 모의 결과는 야간의 과대모의 및 주간의 과소모의 하는 경향이 나타났지만 일변화 경향성은 비교적 잘 모의하였다.
대체적으로 Tier 3B 방식에서 높은 배출량을 보였는데 이는 항공기 배출뿐만 아니라 공항에서 발생되는 다른 요소를 고려한 결과이다. 물질별로 보면 NOx는 Tier 2에서 가장 많은 배출량을 보였으나 다른 물질에 비해 그 차이가 적었으며, CO의 경우 Tier 3A에서 가장 낮게 나타났지만 항공기운항 외 공항의 자동차 통행량까지 고려한 Tier 3B에서 3.4배 이상 증가하며 산정방법 중 가장 높은 수치를 보였다. SOx와 VOCs 물질은 Tier 3 방식에서만 배출량이 산출되었고, PM은 배출량은 모든 산정방법에서 가장 적게 산출되었다.
SOx와 VOCs 물질은 Tier 3 방식에서만 배출량이 산출되었고, PM은 배출량은 모든 산정방법에서 가장 적게 산출되었다. 산정방법에 따라서는 Tier 1과 Tier 2는 Tier 3A, 3B에 비해 차이가 적고 VOCs 등의 물질이 산정되지 않았으며, Tier 3B가 Tier 3A 보다 많은 배출량이 산정되었다. 따라서 본 연구에서는 Tier 1과 Tier 3B, 그리고 지속적으로 증가하는 항공기 운항을 고려하여 미래 예상 시나리오로써 추가적으로 Tier 3B 배출량에 2배에 해당하는 Tier 3B_2 배출량을 이용하여 대기질 수치 모의에 적용하였다.
일반적으로 연료소 모량을 이용하는 Tier 1과 연료 소모량 및 LTO 횟수를 고려하는 Tier 2 방식이 Tier 3 방식 보다 배출량이 적게 산출되었다. 오존 화학반응에 영향을 끼치는 NOx의 경우 Tier 2와 Tier 3B에서 가장 많았으며 VOCs의 경우 Tier 3B에서만 배출량이 산정되어 오존을 생성 및 소멸 시키는데 가장 큰 영향을 끼쳤다. 특히 매년 증가하는 항공기 운항을 고려한 Tier 3B_2의 경우 주간 공항을 중심으로 2 ppb의 오존 증가가 나타났으며 서풍 또는 남서풍 계열을 따라 이류된 NOx가 부산 지역의 농도증가에 영향을 끼쳤다.
Tier 3b_2의 경우는 Tier 3B 보다 거의 2배 가까운 증가 또는 감소폭을 보였다. 이러한 결과로 미루어 볼 때 항공기 배출량을 고려함으로써 주・야간 김해국제공항의 오존농도의 증가 및 감소에 영향을 주었다. 그러나 Tier 1, Tier 2의 경우 농도의 변화폭이 적어 그 영향이 미비하게 나타났지만 향후 항공기 운항의 증가를 고려한 Tier 3B_2 시나리오의 경우 다른 산정방법에 비해 그 변화폭이 크게 나타나 향후 항공기 배출량의 고려가 꼭 이루어져야 한다는 것을 의미한다.

후속연구

그러나 공항에서 관측되는 기상 및 대기질 측정망 자료가 부족하여 공항지역의 대기질을 분석하는데에 있어 어려움이 있었으며, 특히 본 연구에서는 항공기 배출을 지표만을 고려하였기 때문에 향후 이・착륙시에 생기는 고도에 따른 배출량 변화를 고려한다면 더욱 정확한 대기질 수치모의 결과를 얻어 공항 및 주변 지역의 대기질 개선에 큰 영향을 끼칠 것으로 기대된다.
그러나 본 연구에서는 항공기 배출량을 오직 지표 배출만을 고려하였기 때문에 이・착륙시에 발생할 수 있는 상층의 배출은 고려되지 않았다. 향후 항공기 이・착륙에 따른 지표부터 상층까지의 배출을 고려한다면 더욱 정확한 영향을 살펴볼 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	김해국제공항의 항공기 운항 증가가 대기오염을 일으킬 것이라고 판단되는 이유는?	본 연구의 대상지역은 부산광역시 강서구 대저동에 위치한 김해국제공항으로 부지 6,518,572 m2에 국내 및 국제선 여객터미널, 평균 길이 3,000 m의 비행 활주로 2개 등으로 이루어져 있다. 한국공항공사(KAC : Korea Airport Corporation)에 따르면 김해국제공항은 국내 14개 공항 중 이용객 수 기준으로 인천, 제주, 김포에 이은 4번째로 운항이 많으며 국제선 이용객 수는 인천국제공항에 이어 2번째로 많은 것으로 나타났다. 특히 최근 5년동안에 운항된 국내선 및 국제선 항공 편수와 이용 승객이 꾸준히 증가하고 있으며, 전년대비 항공 편수는 평균 6.2%, 이용 승객은 9.1%로 빠른 성장률을 보이고 있다. 이와 같이 김해국제공항의 항공기 운항 증가는 공항 주변 지역 및 인접한 부산 지역의 대기질에 영향을 끼칠 것이다.
	항공기 운항증가로 어떤 문제점이 생기는가?	이와 같이 항공기 운항증가에 따른 오염물질 배출량 증가가 예상되고 항공기의 경우 육상수송과는 달리 이・착륙(LTO : Landing and Take-Off)과정에서 지표에서 부터 대기상층 특히, 대기경계층 내에서 오염물질이 다량 배출되고 있지만, 국내 배출량자료인 대기정책지원시스템(CAPSS : Clean Air Policy Support System)에서는 항공기 운항에 대한 배출량 산정이 이루어지지 않고있다.
	2012년 조사로 국내 여객수송 수단 비율은 각각 어떻게 나타나는가?	이러한 도로 및 철도, 선박과 같은 물류수송에 의한 대기오염물질 배출이 상당하지만 정확한 배출량 산정은 어려운 실정에 있다. 2012년을 기준으로 국내 여객수송 수단 중 공로(road) 수송이 약 87%, 지하철 및 철도수송 약 12%, 항공 수송 약 0.07%, 해운수송 약 0.05%로 나타났으며, 국제 여객수송은 항공수송 약 94%, 해운수송 약 6%로 순으로 나타났다(MLTMA: Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, 2013). 항공수송의 경우 국제 여객수송에서 차지하는 비율이 절대적이며 꾸준한 증가추세를 보이고 있다.

참고문헌 (9)

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Uherek, E., Halenka. T., Borken-Kleefeld, J., Balkanski Y., Berntsen, T., Borrego, C., Gauss, M., Hoor, P., Juda-Rezler, K., Lelieveld, J., Melas, D., Rypdal, K., Schmid, S., 2010, Transport impacts on atmosphere and climate: land transport. Atmospheric Environment, 44, 4772-4816.

상세보기
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Yoon, M. G., Park, K. S., 2013, 2014 international air transport market forecasts in Korea, KADA leads Korea air transport industry, 61, 33-51.

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표제어: PCR

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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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