다파장 라만 라이다 시스템을 이용한 발원지 및 이동 경로에 따른 황사의 광학적 특성 변화 연구 Study on the Variation of Optical Properties of Asian Dust Plumes according to their Transport Routes and Source Regions using Multi-wavelength Raman LIDAR System원문보기
본 연구에서는 광주과학기술원의 다파장 라만라이다 시스템을 이용하여 2009년부터 2011년, 3년동안 광주에서 대기 에어로졸의 관측을 실시하였다. 관측된 라이다 신호의 분석으로부터 산출된 편광소멸도를 이용하여 황사의 층을 구분해 내었다. 구분 된 황사의 층의 고도에 따른 정보들은 Hybrid Single ParticleLagrangianIntegrated Trajectory(HYSPLIT) 모델을 이용한 황사 층의 역궤적 분석에 이용되었고, 그 정보들을 통하여, 황사 층의 발원지 및 유입경로를 규명할 수 있었다. 한반도로 유입되는 황사는 고비사막을 기원으로 하는 경우가 가장 많은 것으로 나타났으며, 또한, 황사의 이동경로에 따른 광학적 특성 변화를 규명하기 위해, 중국 공업지역을 통과하여 유입된 황사 층과 발원지로부터 한반도로 직접적으로 유입된 황사의 구분하여 경로에 따른 입자 편광소멸도의 통계 분석을 실시하였다. 중국 공업지역을 통과하여 한반도로 유입된 황사의 편광소멸도는 0.07-0.1의 값을 보인 반면, 발원지로부터 공업지역을 경유하지 않고 직접 유입된 황사의 편광소멸도는 0.11-0.15로 상대적으로 높은 값을 보였다. 이는 발원지에서 발생한 순수 황사입자가 이동 중에 공업지역에서 발생한 오염입자와 혼합하여 황사층의 편광소멸도를 감소시킨 것으로 사료된다.
본 연구에서는 광주과학기술원의 다파장 라만 라이다 시스템을 이용하여 2009년부터 2011년, 3년동안 광주에서 대기 에어로졸의 관측을 실시하였다. 관측된 라이다 신호의 분석으로부터 산출된 편광소멸도를 이용하여 황사의 층을 구분해 내었다. 구분 된 황사의 층의 고도에 따른 정보들은 Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory(HYSPLIT) 모델을 이용한 황사 층의 역궤적 분석에 이용되었고, 그 정보들을 통하여, 황사 층의 발원지 및 유입경로를 규명할 수 있었다. 한반도로 유입되는 황사는 고비사막을 기원으로 하는 경우가 가장 많은 것으로 나타났으며, 또한, 황사의 이동경로에 따른 광학적 특성 변화를 규명하기 위해, 중국 공업지역을 통과하여 유입된 황사 층과 발원지로부터 한반도로 직접적으로 유입된 황사의 구분하여 경로에 따른 입자 편광소멸도의 통계 분석을 실시하였다. 중국 공업지역을 통과하여 한반도로 유입된 황사의 편광소멸도는 0.07-0.1의 값을 보인 반면, 발원지로부터 공업지역을 경유하지 않고 직접 유입된 황사의 편광소멸도는 0.11-0.15로 상대적으로 높은 값을 보였다. 이는 발원지에서 발생한 순수 황사입자가 이동 중에 공업지역에서 발생한 오염입자와 혼합하여 황사층의 편광소멸도를 감소시킨 것으로 사료된다.
The continuous observations for atmospheric aerosol were carried out during 3 years (2009-2011) by using a multi-wavelength Raman lidar at the Gwangju Institute of Science and Technology (GIST), Korea ($35.11^{\circ}N$, $126.54^{\circ}E$). The particle depolarization ratios wer...
The continuous observations for atmospheric aerosol were carried out during 3 years (2009-2011) by using a multi-wavelength Raman lidar at the Gwangju Institute of Science and Technology (GIST), Korea ($35.11^{\circ}N$, $126.54^{\circ}E$). The particle depolarization ratios were retrieved from the observations in order to distinguish the Asian dust layer. The vertical information of Asian dust layers were used as input parameter for the Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory (HYSPLIT) model for analysis of its backward trajectories. The source regions and transport pathways of the Asian dust layer were identified. The most frequent source region of Asian dust in Korea was Gobi desert during observation period in this study. The statistical analysis on the particle depolarization ratio of Asian dust was conducted according to their transport route in order to retrieve the variation of optical properties of Asian dust during long-range transport. The transport routes were classified into the Asian dust which was transported to observation site directly from the source regions, and the Asian dust which was passed over pollution regions of China. The particle depolarization ratios of Asian dust which were transported via industrial regions of China was ranged 0.07-0.1, whereas, the particle depolarization ratio of Asian dust which was transported directly from the source regions to observation site were comparably higher and ranged 0.11-0.15. It is considered that the pure Asian dust particle from source regions were mixed with pollution particles, which is likely to spherical particle, during transportation so that the values of particle depolarization of Asian dust mixed with pollution was decreased.
The continuous observations for atmospheric aerosol were carried out during 3 years (2009-2011) by using a multi-wavelength Raman lidar at the Gwangju Institute of Science and Technology (GIST), Korea ($35.11^{\circ}N$, $126.54^{\circ}E$). The particle depolarization ratios were retrieved from the observations in order to distinguish the Asian dust layer. The vertical information of Asian dust layers were used as input parameter for the Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory (HYSPLIT) model for analysis of its backward trajectories. The source regions and transport pathways of the Asian dust layer were identified. The most frequent source region of Asian dust in Korea was Gobi desert during observation period in this study. The statistical analysis on the particle depolarization ratio of Asian dust was conducted according to their transport route in order to retrieve the variation of optical properties of Asian dust during long-range transport. The transport routes were classified into the Asian dust which was transported to observation site directly from the source regions, and the Asian dust which was passed over pollution regions of China. The particle depolarization ratios of Asian dust which were transported via industrial regions of China was ranged 0.07-0.1, whereas, the particle depolarization ratio of Asian dust which was transported directly from the source regions to observation site were comparably higher and ranged 0.11-0.15. It is considered that the pure Asian dust particle from source regions were mixed with pollution particles, which is likely to spherical particle, during transportation so that the values of particle depolarization of Asian dust mixed with pollution was decreased.
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문제 정의
본 연구에서는 광주과학기술원의 다파장 라만 라이다 시스템을 이용하여, 2009년부터 2011년까지 3년간의 장기간 관측 및 라이다 신호를 통해 얻어진 편광소멸도의 통계 분석과 Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory(HYSPLIT) 모델(Draxler and Rolph, 2003)을 이용하여 국내로 유입되는 황사의 경로를 분석하여 유입된 황사의 발원지를 규명하고, 이동 경로에 따른 황사의 광학적 특성의 변화 및 차이점을 연구하였다.
제안 방법
관측된 라이다 신호의 분석을 통해 편광소멸도를 산출해 내었고, δp를 통하여, 황사의 층의 경계를 구분해 내었다.
본 연구에서는 광주과학기술원의 다파장 라만 라이다 시스템을 이용하여 2009년부터 2011년, 3년 동안 광주에서 대기 에어로졸의 관측을 실시하였다. 관측된 라이다 신호의 분석을 통해 편광소멸도를 산출해 내었고, δp를 통하여, 황사의 층의 경계를 구분해 내었다.
특히, 본 연구에서는 황사 입자의 구분을 위해 편광소멸도를 이용하였다. 입자의 비구형성에 대한 정보를 제공하는 기본 분석 요소인 체적 편광소멸도(Volume depolarization ratio, δ)는 본 다파장 라만 라이다 시스템의 532 nm 파장에서 방출되고, 후방 산란되어 들어오는 신호의 편광 성분의 비를 통하여 구할 수 있고, 다음 식 (1)과 같이 정의된다.
황사를 포함하는 기단의 역궤적분석의 시작점은 다파장 라만 라이다 시스템이 위치하고 있는 광주과학기술원으로 설정하였고, 기단의 최종 유입 고도 설정은 입자 편광소멸도를 통하여 구분된 황사 기단이 관측된 고도를 입력하였다. 황사 발생일의 역궤적 분석은 황사가 관측점에 도달하기 전, 5일(120시간) 동안의 궤적을 추적하였다.
입자 편광소멸도를 이용하여, 고도 별로 구분된 황사 기단들의 발원지 및 유입 경로의 분석을 위해 HYSPLIT 모델을 이용하였다(Draxler and Rolph, 2003). 황사를 포함하는 기단의 역궤적분석의 시작점은 다파장 라만 라이다 시스템이 위치하고 있는 광주과학기술원으로 설정하였고, 기단의 최종 유입 고도 설정은 입자 편광소멸도를 통하여 구분된 황사 기단이 관측된 고도를 입력하였다. 황사 발생일의 역궤적 분석은 황사가 관측점에 도달하기 전, 5일(120시간) 동안의 궤적을 추적하였다.
대상 데이터
본 연구에서 사용된 다파장 라만 라이다 (Multiwavelength Raman Lidar)는 광주과학기술원 (35.10°N, 126.53°E)에서 개발 운용 중이며 대기 에어로졸의 연직 분포와 광학적 특성을 산출할 수 있다.
본 연구에서는 광주과학기술원의 다파장 라만 라이다를 이용하여 2009년부터 2011년까지 3년 동안 이뤄진 연속관측 데이터 중 황사가 관측된 라이다 데이터를 이용하여 통계 분석을 수행하였다. Fig.
이론/모형
관측된 라이다 신호의 분석을 통해 편광소멸도를 산출해 내었고, δp를 통하여, 황사의 층의 경계를 구분해 내었다. 구분 된 황사의 층의 고도에 따른 정보들은 HYSPLIT 모델을 이용한 황사 층의 역 궤적 분석에 이용되었고, 그 정보들을 통하여, 황사 층의 발원지 및 유입경로를 규명할 수 있었다. 2009년부터 2011년, 3년간 한반도로 유입되는 황사는 고비사막과 황토고원을 기원으로 하는 경우가 가장 많았으며, 만주지역과 타클라마칸 사막 지역 또한 황사의 발원지로 분석되었다.
입자 편광소멸도를 이용하여, 고도 별로 구분된 황사 기단들의 발원지 및 유입 경로의 분석을 위해 HYSPLIT 모델을 이용하였다(Draxler and Rolph, 2003). 황사를 포함하는 기단의 역궤적분석의 시작점은 다파장 라만 라이다 시스템이 위치하고 있는 광주과학기술원으로 설정하였고, 기단의 최종 유입 고도 설정은 입자 편광소멸도를 통하여 구분된 황사 기단이 관측된 고도를 입력하였다.
성능/효과
2는 2009년부터 2011년, 3년 동안 광주과학기술원으로 유입되고 관측된 황사 층의 발원지에 따른 빈도수를 앞 절에서 설명한 바 있는, HYSPLIT 모델을 이용한 역 궤적 분석을 통하여 밝혀내었다. 대부분의 황사는 본 연구기간 동안 4가지 지역 (1) 타클라마칸 사막 2) 황토 고원 3) 고비 사막 4) 만주지역 )으로부터 발생하여 한반도로 유입되는 것으로 나타났다. 관측기간 동안 유입된 대부분의 황사는 33%의 비율로 고비사막이 발원지였으며, 26%는 황토고원이 발원지였으며, 24%는 만주지역, 그리고 타클라마칸 사막을 발원지로 한 황사의 경우는 17% 가장 낮았다.
또한, 황사의 이동 경로에 따른 광학적 특성 변화를 규명하기 위해, 중국 공업지역을 통과하여 유입된 황사 층과 발원지로부터 한반도로 직접적으로 유입된 황사의 구분이 이루어졌으며, 공업지역에서 발생한 오염물질들은 발원지에서 발생한 순수 황사 입자의 δp에 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다.
본 연구를 통해 이뤄진 장기간 라이다 관측 데이터를 통한 δp의 분석은 한반도로 유입되는 황사의 특성들이 발원지와 유입경로에 따라 분명한 차이를 가질 수 있다는 것을 밝혀내었다.
6 km였다. 양일 모두 관측 기간 동안 대기 중 구름은 관측되지 않았으며, 5월 4일에는 1 km의 고도와 1.5 km와 1.9 km 사이, (Fig. 1a), 8월 3일에는 1.5 km 고도 이내에 에어로졸 층이 연속적으로 관측되었음을 확인할 수 있다(Fig. 1b). 하지만 이는 에어로졸의 고도별 분포에 따른 일부의 정보만 제공할 뿐 별다른 의미 있는 정보를 제공하진 않는다.
중국 공업지역을 경유하여 유입된 황사의 δp 값은 발원지와 상관없이 0.07-0.10의 범위에서 가장 많이 분포함을 알 수 있고, 이와는 달리 발원지에서 중국 내 공업지역을 거치지 않고 한반도로 직접 유입된 경우 δp 값은 0.11-0.15 사이에 주로 분포하며 중국 내 공업지역을 거쳐서 유입된 황사 입자의 δp보다 높은 값임을 확인할 수 있었다.
하지만 만주지역을 발원지로 하여 유입된 황사의 δp 값의 경우에는 타클라마칸이나 황토고원에서 가장 많이 분포한 값의 범위보다 다소 작은 0.05-0.08 사이의 범위에서 62% 비율로 분포하였고, 최대 값은 0.21-0.23의 범위에서 5% 비율로 분포하였다.
후속연구
그럼에도 불구하고, δp의 분석은 그 분석 방법이 비교적 간단하고, 본 연구에서 밝힌 바 있는 혼합상태의 황사와 순수혼합 상태의 황사의 구분이 용이하다고 할 수 있다. 이러한 연구들은 향후 한반도의 유입되는 황사의 이동 경로 변화 추이 및 중국의 사막화로 인한 새로운 황사 입자 발생지역 등의 추정 및 혼합 상태의 황사의 특성 변화에도 좋은 분석 자료로 활용될 것으로 판단된다.
하지만, δp의 경우 황사 입자의 형태학적 분석에 대한 정보만을 제공하기 때문에, 좀 더 정확한 황사 입자의 발원지에 따른 특성의 차이와, 이동 경로에 따른 혼합 상태의 황사 입자의 특성을 규명하기 위해서는 광 흡수성 및 크기 등과 같은 좀 더 다양한 특성의 분석이 요구된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
에어로졸이 기후에 미치는 영향은?
대기에 존재하는 다양한 에어로졸은 대기-지표간의 복사전달과정에서 태양복사를 산란, 혹은 흡수함으로써 지구의 온도 및 기후 변화에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다 (Ramanathan and Feng, 2009; Stocker et al., 2013).
오염물질과 혼합된 황사의 광학적 특성 및 미세물리적 특성이 변화된 선행연구로는 어떤 것들이 있는가?
, 2006). 그 동안 장거리 이동 중 다른 오염물질과 혼합된 황사의 특성 변화에 대한 선행 연구로서, Yu etal.(2006)은 황사 입자의 단산란 알베도(Single scattering albedo)가 황사 발원지에서는 0.94의 값을 보였으나, 중국의 오염물질 배출 지역으로 통과한 후에는 0.92로서 광 흡수성이 증가한 것을 보고 하였고, Noh and Lee(2013)은 황사 발원지와 이동 경로 상의 AERONET Sun/sky radiometer와 위성 관측 데이터 분석을 통하여 황사가 이동 시 다른 입자들과의 혼합으로 인하여 광학적 특성 중 특히, 광 흡수 특성의 변화가 높게 나타날 수 있다는 것을 밝혀내었다. 이러한 결과는 발원지에서의 순수한 황사 입자가 오염지역을 통과하는 과정에서 오염물질과 혼합된 황사의 광학적 특성 및 미세물리적 특성이 동일하지 않다는 것을 의미한다.
황사의 발원지는?
중국의 타클라마칸 사막(Taklamakan desert) 혹은 내몽고 지역의 고비 사막(Gobi desert) 으로부터 발생하는 황사는 장거리 이동을 통해 한국, 일본, 중국이 속한 동북아시아 지역에 영향을 미칠 뿐만 아니라, 태평양을 거쳐 미국 서북부 지역에 도달하기도 한다(Chun et al., 2001; Husaret al.
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