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문제 정의
- 본 연구에서는 이산화질소가 높이 배출되는 동북아지역의 주요 메가시티 중 하나인 북경에서 MAX–DOAS의 관측을 수행하였으며, 지표 근처에서 산출된 이산화질소 혼합비를 지상관측장비로 측정된 이산화질소 혼합비와의 비교를 통하여, 북경지역 MAX–DOAS로부터 산출된 대류권 이산화질소 수직분포의 특성과 정확성을 이해하고자 한다.
제안 방법
- MAX– DOAS 관측시 대기스캔 방향은 부경 서북쪽에 위치한 북경대학으로부터 50°의 방위각을 향하며 태양산란광을 측정하였다.
- 관측기간 동안 검출기의 암전류를 줄이는 동시에 각 픽셀들의 파장정보를 일정하게 유지하기 위해 펠티어 냉각기를 이용하여 분광기 및 검출기의 온도를 5°C 근처에서 일정하게 유지시켰다.
- 관측시 3°에서 10° 사이의 낮은 기기고도 각부터 30°의 높은 고도 각을 스캔 함으로써 지표면 주변의 이산화질소뿐 아니라 대기경계층 상부에 존재하는 이산화질소의 혼합비에 대한 정보도 동시에 측정하도록 하였다.
- 본 연구에서는 이산화질소, 오존, 및 산소이분자체의 흡수단면적을 모델식에 포함하였으며, 대기중 공기분자의 라만산란으로 인해 발생되는 태양광의 흡수영향을 고려하기 Ring 스펙트럼을 함께 모델식에 포함시켰다. 그리고 대류권에 존재하는 에어로솔 및 공기분자로 인한 레일라이 산란의 영향을 제거하기 위해 2차 다항식을 측정된 스펙트럼과 선형피팅되는 모델에 포함을 시켰다. Fig.
- , 2006)에 입력하여 각 기기고도별 이산화질소 경사층적분농도를 계산해주었다. 다양한 기기고도각에서 계산된 경사층적분농도와 측정된 경사 측정분농도가 동시에 일치할 때 복사전달모델에 입력한 이산화질소의 수직분포를 산출하였다.
- 본 연구에서는 3°, 5°, 10°, 15°, 20° 25°, 30° 와 90° 기기고도각에서의 스캔을 통해 태양산란광 신호를 측정하였다.
- 4는 2006년 9월 MAX–DOAS를 이용하여 북경에서 산출된 시간에 따른 고도별 이산화질소의 혼합비 변화를 보여준다. 본 연구에서는 9시부터 오후 5시까지 2시간 마다 고도별 이산화질소 혼합비 변화를 산출하였다. 그림에서 확인 할 수 있듯이 각 측정일로 보면 5시부터 17시까지 산출된 이산화질소 고도분포정보가 모두 존재하지 않는 경우가 많은데 이는 이산화질소 고도분포 산출 알고리즘에 있어, 측정된 이산화질소 경사층적분농도값들을 복사전달모델응 이용하여 이와 일치하는 이산화질소 경사층적분 농도를 계산해 주지 못했을 경우에는 이산화질소의 고도분포 정보를 산출하지 못한 것을 의미한다.
- 본 연구에서는 MAX–DOAS를 이용하여 여름철 북경시 고도별 이산화질소혼합비 변화를 산출하였으며, MAX–DOAS로 산출된 0–1 km 공기층 내에서의 이산화질소 혼합비와 지점관측장비로 측정된 이산화질소 혼합비를 상호 비교하였다.
- 본 연구에서는 이산화질소 및 에어로솔의 농도가 높은 9월에 측정된 MAX–DOAS 값을 이용하여 이산화질소의 고도별 분포를 산출하였다.
- 이렇게 구해진 광학두께는 다양한 가스의 흡수단면적과 혼합비인자로 구성된 모델식과 선형 및 비선형피팅의 반복을 통해 이산화질소의 혼합비인자를 산출하게 된다. 본 연구에서는 이산화질소, 오존, 및 산소이분자체의 흡수단면적을 모델식에 포함하였으며, 대기중 공기분자의 라만산란으로 인해 발생되는 태양광의 흡수영향을 고려하기 Ring 스펙트럼을 함께 모델식에 포함시켰다. 그리고 대류권에 존재하는 에어로솔 및 공기분자로 인한 레일라이 산란의 영향을 제거하기 위해 2차 다항식을 측정된 스펙트럼과 선형피팅되는 모델에 포함을 시켰다.
- 이산화질소를 산출하기 위해 사용된 피팅 파장구간은 399 nm 에서 415 nm 이며 태양산란광에 포함된 Fraunhofer 신호를 및 성층권애 존재하는 이산화질소의 영향을 제거하기 위해서 매 관측루프의 90°기기고도 각에서 관측된 스펙트럼을 배경스펙트럼으로 간주하여 배경스펙트럼을 다른 기기고도각의 스펙트럼으로 로가리즘을 취하여 나누어 주어 광학두께를 구하였다.
- 차등흡수분광기술을 이용하여 광경로상에 존재하는 이산화질소의 경로길이에 대해 적분된 각 기기고도각에 해당하는 경사층적분농도를 산출하였다. 이산화질소의 수직 분포 산출시 복사전달의 계산을 정확하게 수행하기 위하여, 먼저 산소이분자체의 경사층적분농도를 이용하여 에어로솔소의 수직분포를 산출하였다 (Lee et al., 2009). 이렇게 산출된 에어로솔의 고도분포정보를 다양한 형태의 이산화질소 고도분포 정보와 함께 복사달모델인Trace gasRAdiativeTransferMonteCarloY–II(TRACY– II) (Deutschmann et al.
- ,1999)을 사용하여 대류권에 존재하는 오존의 영향을 고려하였다. 차등흡수분광기술을 이용하여 광경로상에 존재하는 이산화질소의 경로길이에 대해 적분된 각 기기고도각에 해당하는 경사층적분농도를 산출하였다. 이산화질소의 수직 분포 산출시 복사전달의 계산을 정확하게 수행하기 위하여, 먼저 산소이분자체의 경사층적분농도를 이용하여 에어로솔소의 수직분포를 산출하였다 (Lee et al.
- 측정된 스펙트럼은 암전류와 영점보정을 수해하였으며, 관측시 함께 측정된 수은램프와 Fraunhofer 참조 스펙트럼을 이용하여 픽셀에 파장정보를 매핑하였다 차등흡수분광분석(Platt and Stutz, 2008)을 통해 태양산란 광신호에서 대류권 이산화질소의 경사층적분농도를 산출하였다. 이산화질소를 산출하기 위해 사용된 피팅 파장구간은 399 nm 에서 415 nm 이며 태양산란광에 포함된 Fraunhofer 신호를 및 성층권애 존재하는 이산화질소의 영향을 제거하기 위해서 매 관측루프의 90°기기고도 각에서 관측된 스펙트럼을 배경스펙트럼으로 간주하여 배경스펙트럼을 다른 기기고도각의 스펙트럼으로 로가리즘을 취하여 나누어 주어 광학두께를 구하였다.
- 1은 관측기간중 2006년 8월 16일 11시에 측정된한 스펙트럼의 분석내용을 보여준다. 피팅에서는 293K의 이산화질소 흡수단면적과(Vandaele et al., 1997), 293K의 오존흡수단면적 (Voigt et al.,1999)을 사용하여 대류권에 존재하는 오존의 영향을 고려하였다. 차등흡수분광기술을 이용하여 광경로상에 존재하는 이산화질소의 경로길이에 대해 적분된 각 기기고도각에 해당하는 경사층적분농도를 산출하였다.
대상 데이터
- MAX–DOAS 관측은 북경대학교에서 2006년 8월16일부터 9월 10일까지 약 한달 동안 수행되었다.
- 본 연구에 사용된 MAX–DOAS는 스캐닝광학부 와 미니 분광기 및 검출기로 구성되어있다.
이론/모형
- 이렇게 산출된 에어로솔의 고도분포정보를 다양한 형태의 이산화질소 고도분포 정보와 함께 복사달모델인Trace gasRAdiativeTransferMonteCarloY–II(TRACY– II) (Deutschmann et al., 2006)에 입력하여 각 기기고도별 이산화질소 경사층적분농도를 계산해주었다.
성능/효과
- 계산된 선형회기식에서의 경사 값이 0.29로 지표에서 측정된 이산화황의 혼합비보다 MAX–DOAS로 산출된 이산화황의 혼합비가 상대적으로 매우 작은 것을 확인 할 수 있다.
- 또한, MAX–DOAS로 산출된 0–1 km 공기층 내에서의 이산화질소 혼합비와 지점관측장비로 측정된 이산화질소 혼합비를 상호 비교했을 때 두 값들 사이의 상관관계는 약간의 차이가 있는 것으로 확인되었으며, 두 값들 사이에 있어 차이가 나는 주요한 이유로서는 MAX–DOAS와 지점관측장비의 관측영역에서의 차이와 여름철 북경에서는 이산화질소의 혼합비가 고도에 따라 급격하게 감소하기 때문인 것으로 판단된다.
- 그림에서 확인 할 수 있듯이 각 측정일로 보면 5시부터 17시까지 산출된 이산화질소 고도분포정보가 모두 존재하지 않는 경우가 많은데 이는 이산화질소 고도분포 산출 알고리즘에 있어, 측정된 이산화질소 경사층적분농도값들을 복사전달모델응 이용하여 이와 일치하는 이산화질소 경사층적분 농도를 계산해 주지 못했을 경우에는 이산화질소의 고도분포 정보를 산출하지 못한 것을 의미한다. 산출된 이산화질소의 고도분포를 보면 9월 4일, 8일 그리고 9일의 경우 그 혼합비가 대체적으로 낮은 것을 확인 할 수 있으며 고도에 따른 변화가 작은 것으로 계산되었다. 하지만, 이날을 제외한 다른 날들의 경우 대체적으로 지상에서의 이산화질소 혼합비가 매우 크며, 지상으로부터 3 km 정도에서는 그 혼합비가 매우 작아 지는 것을 보여준다.
- 본 연구에서는 MAX–DOAS를 이용하여 여름철 북경시 고도별 이산화질소혼합비 변화를 산출하였으며, MAX–DOAS로 산출된 0–1 km 공기층 내에서의 이산화질소 혼합비와 지점관측장비로 측정된 이산화질소 혼합비를 상호 비교하였다. 이산화질소 고도분포가 산출된 9월 결과를 보면 몇일을 제외하고는 대체적으로 지상에서의 이산화질소 혼합비가 매우 크며, 지상으로부터 3 km 정도에서는 그 혼합비가 매우 작아지는 것을 확인 할수 있었다. 또한, MAX–DOAS로 산출된 0–1 km 공기층 내에서의 이산화질소 혼합비와 지점관측장비로 측정된 이산화질소 혼합비를 상호 비교했을 때 두 값들 사이의 상관관계는 약간의 차이가 있는 것으로 확인되었으며, 두 값들 사이에 있어 차이가 나는 주요한 이유로서는 MAX–DOAS와 지점관측장비의 관측영역에서의 차이와 여름철 북경에서는 이산화질소의 혼합비가 고도에 따라 급격하게 감소하기 때문인 것으로 판단된다.
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