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문제 정의
- 이 연구는 2008년 5월 15일부터 5월 31일까지 우리나라에 영향을 미치는 황사에 대해 온라인 WRF-Chem 3.4 버전을 이용하여 모델 내 에어로졸 스킴과 광물성 먼지 옵션이 미세먼지 및 기상장에 미치는 영향을 비교·분석한 것이다.
- 이 연구는 환경부 “차세대 핵심환경기술개발사업”의 연구 일환으로 수행된 것이다. 또한 이 연구에서 사용된 일부 그림 자료는 국립환경과학원 지구환경연구소에서 관측한 2008년 6월 황사 보고 자료로 자료 활용에 감사드린다.
제안 방법
- WRF-Chem 4.0 모델에 상기 입력 자료를 적용하여 2008년 5월 13일부터 5월 31일까지 광물성 먼지 및 전구 미세먼지 배출량이 에어로졸 스킴에 따라 국내 대기질(PM10, PM2.5)에 미치는 영향을 파악하였고, 5월 29일과 30일 우리나라에 발생한 황사에 대해서는 이들 에어로졸 스킴과 광물성 먼지 옵션의 차이가 경계층 높이, 풍속, 기온, 복사 등의 기상장에 미치는 영향을 비교하였다.
- WRF-Chem 모델에서 미세먼지(PM10, PM2.5) 모델링 민감도를 조사하기 위하여 GOCART 먼지 침식 시나리오, RADM2의 화학메커니즘 및 MADE/SORGAM 에어로졸 시나리오, 그리고 MOSAIC 8 섹션 에어로졸 시나리오를 구성하였다. 참고로 전자 는 GOCART 광물성 먼지 옵션을, 그리고 나머지 두 시나리오는 Shaw et al.
- WRF-Chem 모델에서 황사 발생 유무에 따른 온도, 풍속, 경계층 높이, 복사 등의 기상 민감도를 조사하기 위하여 상기 제시된 3가지 시나리오와 이들 시나리오가 없는 순수 기상의 WRF 모델링 결과와 비교하였다.
- 그리고 WRF-Chem 모델 내 상기 세 시나리오의 미세먼지 농도 결과는 전구 배출량을 적용한 결과이므로 이들 결과와 비교하기 위해 황사가 없다는 조건하에 국내 CAPSS 및 전구배출량 EDGAR을 고려한 오프라인 모델인 WRF-CMAQ (Community Multiscale Air Quality) 4.6 모델을 이용하여 PM10 농도를 수치모의 하였다. WRF-CMAQ 모델링에서 기상장의 물리적 옵션은 WRF-Chem과 동일하게 하였지만 화학메커니즘의 경우는 CBM-4가 적용되었는 데(Moon et al.
- 5) 모델링 민감도에서는 RADM2 화학메커니즘 및 MADE/SORGAM 에어로졸 시나리오와 MOSAIC 8 섹션 에어로졸 시나리오가 황사의 공간적 분포에서 서로 유사하게 나타난 반면에 GOCART 먼지 침식 시나리오에서는 두 시나리오에 비해 좁은 공간 영역과 보다 높은 농도 분포를 나타내었다. 그리고 세 시나리오 중 RADM2 화학메커니즘 및 MADE/SORGAM 에어로졸 시나리오가 우리나라 황사 먼지 농도뿐만 아니라 배경 PM 농도에서 상대적으로 높은 농도를 모사하였다. 한편 세 시나리오의 PM2.
- 기온, 풍속 및 경계층 높이의 공간적 분포는 RADM2 화학 메커니즘 및 MADE/SORGAM 에어로졸 시나리오를 제외하고 유사하였으며, 이 시나리오의 경우 최저기온과 최고기온의 범위는 −32-25℃로 기타 시나리오에 비해 최저기온은 −5℃ 낮게 최고기온은 1℃ 높게 모사하였다(Fig. 10).
- 따라서 이 연구에서는 2008년 5월을 대상으로 우리나라에 영향을 미치는 황사에 대해 WRF-Chem 3.4 버전을 이용하여 모델 내 에어로졸 스킴과 광물성 먼지 옵션의 미세먼지 민감도를 비교하고 이들 스킴과 옵션의 차이에 따른 경계층 높이, 풍속, 기온, 복사의 기상장 변화를 비교·분석할 것이다.
- 따라서 이 연구에서는 WRF-Chem 모델에서 황사 포함 미세먼지 모델링 민감도를 조사하기 위하여 세 가지 시나리오를 구성하였는데, 에어로졸과 기상의 온라인 모델 조건에서는 GOCART 광물성 먼지 옵션을 적용한 GOCART 먼지 침식 시나리오와 Shaw et al. (2008) 광물성 먼지 옵션이 지정된 RADM2의 화학메커니즘 및 MADE/SORGAM 에어로졸 시나리오를, 그리고 오프라인 모델 조건에서는 MOSAIC 8 섹션 에어로졸 시나리오로 구분하여 수치모의 하였다.
- 그리고 WRF-Chem 모델링 결과에는 국내 미세먼지 배출량이 일부 누락되었는데 아직 WRFChem 모델 내 국내 CAPSS 미세먼지 배출원 관련 시·공간적 정보뿐만 아니라 다양한 화학메커니즘의 분배과정 자료가 고려되지 않았기 때문이다. 따라서 이 연구에서는 이 기간 동안의 황사를 무시하고 국내 CAPSS 및 전구배출량 EDGAR을 고려한 오프라인 모델인 WRF-CMAQ 모델링 결과와도 비교하였다(Fig. 8). Fig.
- 그리고 WRF 기상모델의 경우 미물리 과정은 WSM 6-class graupel, 운물리 과정은 Kain-Fritsch, 대기 경계층(PBL)은 YSU, 장파 및 단파 복사 과정은 RRTM과 Goddard, 그리고 지표면은 4층 열확산을 적용하였다. 모델은 5일마다 FNL 재분석 자료를 이용해 기상학적 조건을 다시 초기화시켰고, 기상학적 스핀업 때문에 각 시뮬레이션 구역마다 하루를 겹치게 해두었다.
- 미세먼지의 인위적 배출량에 대해서는 0.5º×0.5º RETRO (Reanalysys of the TROpospheric) 전구 배출량을, 광해리의 경우 강수기상, 에어로졸, 대류 매개변수와 접합된 Fast-J 광해리 스킴을, 그리고 황사 발생량을 추정하기 위한 먼지 에어로졸 스킴의 경우 모달 에어로졸의 동역학 모델인 MADE/SORGAM 스킴과 에어로졸 상호작용과 화학을 모의하기 위한 모달인 MOSAIC 8 section 스킴, 그리고 GOCART 모델로부터 총질량 에어로졸 모듈 스킴을 각각 적용하였다.
- 4 버전을 이용하여 모델 내 에어로졸 스킴과 광물성 먼지 옵션이 미세먼지 및 기상장에 미치는 영향을 비교·분석한 것이다. 온라인 WRF-Chem 모델에서 기상장과 황사포함 미세먼지 모델링 민감도를 조사하기 위하여 미세먼지의 인위적 배출량인 RETRO 전구 배출량을, 광해리의 경우 Fast-J 광해리 스킴을, 그리고 황사 발생량을 추정하기 위해 GOCART 먼지 침식 시나리오, RADM2의 화학메커니즘 및 MADE/SORGAM 에어로졸 시나리오, MOSAIC 8 섹션 에어로졸 시나리오 등 세 가지 시나리오에 대해 수치 모의하였고, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
대상 데이터
- 동아시아 지역을 대상으로 27 km씩 180×150개의 격자점을 설정하였고, 31개의 수직 층을 적용하였다.
- 5º RETRO (Reanalysys of the TROpospheric) 전구 배출량을, 광해리의 경우 강수기상, 에어로졸, 대류 매개변수와 접합된 Fast-J 광해리 스킴을, 그리고 황사 발생량을 추정하기 위한 먼지 에어로졸 스킴의 경우 모달 에어로졸의 동역학 모델인 MADE/SORGAM 스킴과 에어로졸 상호작용과 화학을 모의하기 위한 모달인 MOSAIC 8 section 스킴, 그리고 GOCART 모델로부터 총질량 에어로졸 모듈 스킴을 각각 적용하였다. 또한 바이오매스 산불 배출량은 전구 산불 배출량 자료(Global Fire Emissions Database)를 이용하였다.
- 이 연구에서는 2008년 5월 15부터 31까지의 WRF-Chem 모델 내 기상 분석과 미세먼지 모델링을 위해 NECP (National Center for Environmental Prediction) 의 1°×1°의 6시간 FNL (Final) 재분석 기상 자료를 사용하였다.
이론/모형
- 그리고 WRF 기상모델의 경우 미물리 과정은 WSM 6-class graupel, 운물리 과정은 Kain-Fritsch, 대기 경계층(PBL)은 YSU, 장파 및 단파 복사 과정은 RRTM과 Goddard, 그리고 지표면은 4층 열확산을 적용하였다.
- 5° RETRO (Reanalysis of the Tropospheric)와 1°×1° EDGAR (Emisssion Database for Gobal Atmospheric research)로부터의 전구 배출량과 사용자 정의의 국내 CAPSS (Clean Air Policy Support System) 또는 EPA (Environmental Protection Agency) NEI-05 (National Emission inventory 2005) 배출량 인벤토리 등을 고려할 수 있다. 그리고 가스상 화학메커니즘의 선택을 위해 RADM2, RACM (Regional Atmospheric Chemistry Mechanism), CBM-4 (Carbon Bond Mechanism version IV)와 CBM-Z (Carbon-Bond Mechanism version Z) 화학메커니즘을 고려할 수 있고 기타 화학메커니즘 생성을 위해서는 KPP (Kinetic Pre-Processor)를 사용한다. KPP를 이용하면 RADM2, RACM, RACM-MIM (Mainz Isoprene Mechanism), SAPRC-99 (Statewide Air Pollution Research Center 99), MOZART (Model for OZone And Related chemical Tracers) 등의 화학메커니즘을 생성할 수 있다.
성능/효과
- Figs. 5와 6의 황사 먼지 발생 및 이동의 공간적 패턴과 비교할 때 황사가 이동하는 공간은 기온은 낮고, 풍속의 경우 U 성분에 의존적이며, 대기 경계층 높이를 따라 지표에서 지구장파복사에 영향을 많이 주고 있다는 것을 알 수 있다. 이것은 황사가 제트류와 같은 찬 기류에 의해 전선부근에서 발생하고 이동시 강한 서풍을 따라 경계층 높이까지 이동하여 수송되고 있음을 말해준다.
- WRF-Chem 모델에서 상기 제시된 3가지 시나리오와 이들 시나리오가 없는 순수 기상에서의 온도, 풍속, 경계층 높이, 장파복사 등의 기상 민감도를 분석한 결과, 경계층 높이(1,800-3,000 m)와 풍속 U 성분(2-16 m s−1)의 공간적 분포가 황사 먼지 발생의 공간적 분포와 유사하게 나타났다.
- 5와 6의 황사 먼지 발생의 공간적 분포와 유사하게 나타났으므로 중국에서 발생한 황사는 지면에서 약 1,800-3,000 m 높이로 2-16 m s−1 의 서풍대를 따라 우리나라로 수송하였을 것이다. 그리고 MOSAIC 8 섹션 에어로졸 시나리오와 GOCART 먼지 침식 시나리오는 기상장에 있어 유사한 공간적 분포를 나타내었고, 반면 RADM2 화학메커니즘 및 MADE/SORGAM 에어로졸 시나리오는 두 시나리오에 비해 좁은 공간 영역에서 약간 높은 경계층 높이와 보다 강한 U 성분 그리고 미세먼지 수송의 온라인 상호작용으로 인해 Fig. 14에서처럼 지표에서 지구장파복사가 더 낮게 분포하여 나타났다. 한편 기상장이 유사한 MOSAIC 8 섹션 에어로졸 시나리오와 GOCART 먼지 침식 시나리오에서 황사 먼지의 공간적 분포의 차이는 이들 두 시나리오 간 에어로졸 스킴이 기상장과 온라인으로 상호작용하였는가의 여부로 판단 할 수 있다.
- 그리고 RADM2 화학메커니즘 및 MADE/SORGAM 에어로졸 시나리오의 PM10 농도 결과와 서울의 각 대기질 측정망의 평균 농도 값과의 비교 결과, 상관계수는 0.67, 평균제곱근오차(RMSE, Root Mean Square Error)는 44 µg m−3 으로 나타났다.
- 그리고 장파복사의 경우는 RADM2 화학메커니즘 및 MADE/SORGAM 에어로졸 시나리오와 GOCART 먼지 침식 시나리오가 범위가 각각 92.4-338.3 W m−2 과 95.5-311.0 W m−2 으로 다른 두 시나리오에 비해 낮은 공간적 분포를 나타내었다(Fig. 14).
- 67, 평균제곱근오차(RMSE,Root Mean Square Error)는 44 µg m−3으로 나타났다. 다만 미세먼지 농도의 경우 전구 배출량만 사용하였으므로 황사를 고려하지 않은 WRF-CMAQ 모델링 결과와 비교할 때 국내 CAPSS 배출원의 미세먼지 기여 농도만큼 차이가 있다는 것을 알 수 있다. Fig.
- 또한 WRF-Chem 모델은 온라인으로 기상과 대기질의 상호작용을 동시에 고려할 수 있으므로 광화학반응에 의한 오존과 기상의 공간적 관계를 보다 용이하게 평가할 수 있다. 동시에 기존 연구에서 사용되었던 WRF-CMAQ 모델의 연구 결과를 재검증 할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 이 연구에서는 WRF-Chem 모델에 국내 대기 배출량을 고려하지 못했으므로 차후 연구에서 이를 보완하게 된다면 국내 대기질 모델링 평가뿐만 아니라 지역 기후 모델링 평가로 손색이 없을 것이다.
- MOSAIC 8 섹션 에어로졸 시나리오 경우는 같은 황사 광물성 먼지 발생 옵션이 적용되었지만 전자와 다른 화학메커니즘과 에어로졸 스킴으로 인해 이 날 우리나라 미세먼지 배경 농도는 낮게 모사되었다. 한편 RADM2 화학메커니즘 및 MADE/SORGAM 에어로졸 시나리오에서는 PM2.5 농도의 공간적 분포가 PM10 농도의 경우 보다 넓게 분포하고 상대적으로 높은 농도를 나타내었는데, 이는 Fig. 2와 같이 한랭전선 후면 고기압역을 따라 PM2.5가 많이 이동하였다는 것을 알 수 있다. Fig.
후속연구
- 동시에 기존 연구에서 사용되었던 WRF-CMAQ 모델의 연구 결과를 재검증 할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 이 연구에서는 WRF-Chem 모델에 국내 대기 배출량을 고려하지 못했으므로 차후 연구에서 이를 보완하게 된다면 국내 대기질 모델링 평가뿐만 아니라 지역 기후 모델링 평가로 손색이 없을 것이다. 한편 본 모델을 이용하여 우리나라나 대지 또는 도로 비산먼지 발생 연구에도 확대 적용할 수 있는데, 이 경우에는 모델 내 우리나라 토지피복지도를 변경하고 관련 경험식의 비산먼지 발생 임계풍속과 계수를 조정하여 산정할 수 있을 것이다.
- 하지만 이 연구에서는 WRF-Chem 모델에 국내 대기 배출량을 고려하지 못했으므로 차후 연구에서 이를 보완하게 된다면 국내 대기질 모델링 평가뿐만 아니라 지역 기후 모델링 평가로 손색이 없을 것이다. 한편 본 모델을 이용하여 우리나라나 대지 또는 도로 비산먼지 발생 연구에도 확대 적용할 수 있는데, 이 경우에는 모델 내 우리나라 토지피복지도를 변경하고 관련 경험식의 비산먼지 발생 임계풍속과 계수를 조정하여 산정할 수 있을 것이다.
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