[논문]2014년 2월 서울의 고농도 미세먼지 기간 중에 CMAQ-DDM을 이용한 국내외 기여도 분석

김종희; 최대련; 구윤서; 이재범; 박현주

doi:10.5572/kosae.2016.32.1.082

2014년 2월 서울의 고농도 미세먼지 기간 중에 CMAQ-DDM을 이용한 국내외 기여도 분석
Analysis of Domestic and Foreign Contributions using DDM in CMAQ during Particulate Matter Episode Period of February 2014 in Seoul 원문보기

한국대기환경학회지 = Journal of Korean Society for Atmospheric Environment, v.32 no.1, 2016년, pp.82 - 99

김종희 (안양대학교 환경에너지공학과) , 최대련 (안양대학교 환경에너지공학과) , 구윤서 (안양대학교 환경에너지공학과) , 이재범 (국립환경과학원 대기질통합예보센터) , 박현주 (국립환경과학원 대기질통합예보센터)

Abstract ▼ AI-Helper

This study was carried out to understand the regional contribution of Particulate Matter (PM) emissions from East Asia ($82^{\circ}{\sim}149^{\circ}E$, $18^{\circ}{\sim}53^{\circ}N$) to Seoul during high concentration period in February 2014. The Community Multi-scale Air Quality (CMAQ) version 5.0.2 with Decoupled Direct Method (DDM) was used to analyze levels of contributions over Seoul. In order to validate model performance of the CMAQ, predicted PM and its chemical species concentrations were compared to observations in China and Seoul. Model predictions could depict the daily and hourly variations of observed PM. The calculated PM concentrations, however, had a tendency of underestimation. The discrepancies are due to uncertainties of meteorological data, emission inventories and CMAQ model itself. The high PM concentration in Seoul was induced by stationary anticyclone over the West Coast of Korea during 24 to 27 February. The DDM in CMAQ was used to analyze the contributions of emissions from East Asia on Seoul during this PM episode. $PM_{10}$ concentration in Seoul is contributed by 39.77%~53.19% from China industrial and urban region, 15.37%~37.10% from South Korea, and 9.03%~18.05% North Korea. These indicate that $PM_{10}$ concentrations in Seoul during the episode period are dominated by long-range transport from China region as well as domestic sources. It was also found that the largest contribution region in China were Shandong peninsula during the PM event period.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서 최종적인 목적은 공극률이 고려된 투수계수 산정 모델의 제안이다. 투수계수를 결정하는 경험적 모델에 의한 방법은 골재의 유효입경 d_e와 공극률 n_e을 고려하여 제안된 여러 가지 공식들 중 본 연구의 조건과 부합되는 몇 가지 공식을 나타낸 것이 Table 3이다.
본 연구에서는 기존의 아스팔트 혼합물이 가지는 낮은 투수성능을 향상시키고자 기존의 혼합물에 사용되는 입도와 배합조건은 달리하여 배수성 아스팔트 혼합물을 제작하였다. 기존의 입도와는 상이하게 SMA 골재를 배합하여 혼합물을 제작하였다.
이는 공극의 역할이 매우 중요하며, 아스팔트 혼합물이 가지는 공극률에 따라 투수계수의 변화가 나타나기 때문이다. 본 연구에서는 배수성 포장의 투수성능을 높이기 위하여 기존에 제시된 투수성 아스팔트에 사용되었던 골재의 입도와 배합설계가 아닌 새로운 입도와 배합 조건을 사용하여 배수성 아스팔트 혼합물을 제작하여 투수계수 산정을 위해 투수시험을 실시하였다. 또한 투수계수 산정에 사용한 실험모델과 여러 연구에서 제시하였던 투수계수 산정 경험적 모델에 적용하여 비교하였고, 경험적 모델을 이용하여 산정된 투수계수 값을 통해 결과적으로 단순회귀분석을 이용하여 기존의 경험적 모델에 공극률만 고려된 새로운 투수계수 산정모델을 제안하였다.
이는 반응변수와 독립변수의 역수로 구성된 회귀모델을 산정한 후, 경험적 모델을 역수로 구성하여 변수의 역수로 구성된 회귀모델과 어떠한 상관관계를 가지고 있는지 확인하고자 한다. 이때 실험에 의해 측정된 투수계수의 역수를 통계적 종속변수 Y로 판단하며, 공극률의 역수를 독립변수 X로 판단한다.

가설 설정

이를 표현하는 R²값은 상관계수의 제곱 값을 나타내며, 서로 다른 방법으로 결정되어진 두 반응변수들의 변화에 대한 확률적 의미를 갖는다. 여기서 종속변수들은 표준정규분포를 이룬다고 가정하였다. 다음 Table 12은 본 연구의 실험에 의한 투수계수 값과 경험적 모델로 인해 제시되는 투수계수 값에 대한 상관분석 결과이다.

제안 방법

기존의 입도와는 상이하게 SMA 골재를 배합하여 혼합물을 제작하였다. SMA 골재는 형상이 기존의 배합 시 사용되는 일반 쇄석과 비교하여 둥근 형상을 지니고 있기 때문에 골재와 골재사이의 공극형성이 우수할 것으로 판단하여 적용하였다. 연구에서 사용한 SMA 골재는 19mm, 13mm, 10mm를 사용하였으며 Fig.
상관분석결과 경험식에 의한 투수계수와 실험에 의한 투수계수의 결과 값의 변화에 대해 일치하는 정도가 매우 우수한 것으로 분석되었고, 그 결과 실험값과 경험식 값은 매우 일치하는 것으로 판단하였다. 또한 실험에 의해 결정된 회귀모델의 정확성을 판단하기 위해 회귀모델과 경험적 모델의 상관관계를 분석하였다. Table 13은 실험에 의한 회귀모델과 경험적 모델의 상관관계 분석을 실시하여 그 결과를 나타낸 Table이다.
본 연구에서는 배수성 포장의 투수성능을 높이기 위하여 기존에 제시된 투수성 아스팔트에 사용되었던 골재의 입도와 배합설계가 아닌 새로운 입도와 배합 조건을 사용하여 배수성 아스팔트 혼합물을 제작하여 투수계수 산정을 위해 투수시험을 실시하였다. 또한 투수계수 산정에 사용한 실험모델과 여러 연구에서 제시하였던 투수계수 산정 경험적 모델에 적용하여 비교하였고, 경험적 모델을 이용하여 산정된 투수계수 값을 통해 결과적으로 단순회귀분석을 이용하여 기존의 경험적 모델에 공극률만 고려된 새로운 투수계수 산정모델을 제안하였다.
따라서 회귀분석은 사회, 과학, 물리학 등 거의 모든 학문분야에 널리 사용되고 있는 통계적 분석 방법일 것이다(김희술, 2002). 본 연구에서 실시한 실험에 의하여 독립변수(Independent Variable)로부터 반응변수(Response Variable)를 산정하였다. 이 과정에서 실험에 의한 반응변수와 실험모델에 의한 투수계수가 어느 정도 정확성을 갖는지에 대해 판단하여 볼 필요가 있다.
실험에 의한 반응변수는 독립변수에 의해 종속되는데 이러한 독립변수에 대한 반응변수의 추세는 회귀분석(Regression Analysis)으로 판명되어질 수 있다. 실험에 의해서 판단되어진 반응변수들에 대한 회귀분석을 실시하여 본 연구에서 수행된 실험에 대한 회귀모델을 선정하고자 한다. 또한, 이러한 회귀모델은 연구에서 선정한 경험적 모델과 상관관계분석(Correlation Analysis)을 통하여 경험적 모델을 기준으로 한 적합성이 판단되어 질 수 있다.
이 연구는 배수성 아스팔트 혼합물의 투수 성능을 평가하는 주요인자인 투수계수를 공극률만을 고려하여 쉽게 산정할 수 있도록 단순회귀분석을 이용하여 투수계수 산정모델을 개발하였다. 개발된 투수계수 산정모델과 실험을 통해 측정한 투수계수, 그리고 각 경험적 모델에 의해 산출된 투수계수를 비교분석하여 모델의 적합성을 검증하였다.
개발된 투수계수 산정모델과 실험을 통해 측정한 투수계수, 그리고 각 경험적 모델에 의해 산출된 투수계수를 비교분석하여 모델의 적합성을 검증하였다. 투수계수 산정모델의 개발을 위해 배수성 아스팔트 혼합물을 공극률을 다르게 하여 10개의 시료를 제작하여 실험을 하였으며, 공극률이 고려되어진 기존에 제안된 경험적 모델에 적용하여 분석하였다. 그 결과 연구에서 제작한 배수성 포장 아스팔트와 유사한 아스팔트 혼합물의 경우 연구에서 개발한 모델을 이용하여 투수계수를 산정할 수 있다.
회귀모델은 선형회귀, 로그회귀, 비선형회귀 등 다양한 방법으로 표현되어질 수 있다. 하지만 연구에서는 공극률과 입도가 고려된 경험적 모델에 기초한 회귀분석을 수행하였다. 회귀분석을 수행하기 위해 실험적 반응변수와 산정된 경험적 모델에 의한 투수계수의 경향을 파악해 볼 필요가 있다.

대상 데이터

1. 연구에서 제작된 아스팔트 혼합물은 배수성 아스팔트 혼합물로 분류되며, 기존의 입도와 상이하게 SMA 골재를 적용하여 공극률의 서로 다른 10개의 시편을 제작하였다.
1의 그래프에서 확인할 수 있다. d₁₀, d₆₀의 해당하는 크기를 적용하였다. Table 5는 각각의 투수계수 산정모델에 적용한 결과를 나타낸 표이다.
2는 연구에서 제작한 아스팔트 혼합물 시편의 모습이다. 각각의 공극률을 달리하여 같은 제작방법으로 10개의 시편을 제작하였다.
본 연구에서는 기존의 아스팔트 혼합물이 가지는 낮은 투수성능을 향상시키고자 기존의 혼합물에 사용되는 입도와 배합조건은 달리하여 배수성 아스팔트 혼합물을 제작하였다. 기존의 입도와는 상이하게 SMA 골재를 배합하여 혼합물을 제작하였다. SMA 골재는 형상이 기존의 배합 시 사용되는 일반 쇄석과 비교하여 둥근 형상을 지니고 있기 때문에 골재와 골재사이의 공극형성이 우수할 것으로 판단하여 적용하였다.
SMA 골재는 형상이 기존의 배합 시 사용되는 일반 쇄석과 비교하여 둥근 형상을 지니고 있기 때문에 골재와 골재사이의 공극형성이 우수할 것으로 판단하여 적용하였다. 연구에서 사용한 SMA 골재는 19mm, 13mm, 10mm를 사용하였으며 Fig. 1은 Table 1의 입도분포를 토대로 작성한 입도분포곡선이다. 검은 점선은 상한입도와 하한입도를 나타내며, 파란색실선은 설계입도, 빨간색 실선은 실제배합입도이다.
연구에서 제작되어진 아스팔트 혼합물은 KSF 2377에 명시되어있는 방법으로 마샬다짐기를 사용하지 않고 선회다짐시험기를 이용하여 지름 100mm, 높이 60mm의 원통형 시편을 제작하였다. 마샬다짐 시 충격으로 인한 골재의 균열은 투수성능평가에 영향을 미칠것으로 판단하였기 때문이다.

데이터처리

이 연구는 배수성 아스팔트 혼합물의 투수 성능을 평가하는 주요인자인 투수계수를 공극률만을 고려하여 쉽게 산정할 수 있도록 단순회귀분석을 이용하여 투수계수 산정모델을 개발하였다. 개발된 투수계수 산정모델과 실험을 통해 측정한 투수계수, 그리고 각 경험적 모델에 의해 산출된 투수계수를 비교분석하여 모델의 적합성을 검증하였다. 투수계수 산정모델의 개발을 위해 배수성 아스팔트 혼합물을 공극률을 다르게 하여 10개의 시료를 제작하여 실험을 하였으며, 공극률이 고려되어진 기존에 제안된 경험적 모델에 적용하여 분석하였다.
8을 보면 알 수 있듯이 회귀모델과 실험에 의한 투수계수 값, 경험적 모델 결과 값이 모두 상이한 것을 볼 수 있다. 따라서 결과 값들에 대한 추세는 매우 우수하다고 판단할 수 있으나 그 차이에 대한 검증이 필요하며 이를 위해 RMSE 분석을 실시하였다. RMSE 값은 Eq.
독립변수인 공극률에 의해서 측정되어진 투수계수는 실험에 의해서 판정되어진 결과이기 때문에 경험적 모델에 의한 투수계수와 양자간 관계를 이루고 있는지 검정해 볼 필요가 있다. 또한, 실험에 의해 결정되어진 투수계수를 이용하여 회귀모델을 구성하였는데, 이 회귀모델(경험적 모델에 기초한)과 경험적 모델이 어떠한 관계를 갖고 있는 지 파악하기 위해 회귀모델과 경험적 모델의 상관관계분석 및 RMSE(Root Mean Square Error)분석을 실시한 후, 경험적 모델의 계수와 회귀모델의 계수를 비교하였다.

성능/효과

2. 기존의 입도와 공극률이 고려된 투수계수산정 경험식에 적용하여 비교분석한 결과 공극률이 증가함에 따라 투수계수도 커지는 경향을 분석하였다. 적용된 투수계수 경험식 Zunker 모델, Slichter 모델, Kozeny-Carman 모델 중 Zunker 모델이 실험을 통해 측정한 투수계수와 가장 유사한 경향을 보였다.
3. 상관관계 분석결과 본 연구에서 개발한 모델과 경험적 모델의 반응계수 변화 추세는 일치하는 것으로 나타났으며 독립변수의 역수에 기초한 회귀모델은 다른 변화 추세를 나타내었으나 일치하는 정도가 매우 우수한 것으로 판단하였다.
4. 본 연구에서 제안한 투수계수 산정모델은 기존의 공극률이 고려된 경험식을 이용하여 개발되었으며, 실험에 의해 산정된 투수계수와 유사한 결과를 보임으로써 적합성이 검증되었다. 그러므로 연구에서 제안한 투수계수 산정모델은 배수성 포장 아스팔트의 투수계수를 산정할 경우 이용이 가능한 것으로 판단된다.
투수계수 산정모델의 개발을 위해 배수성 아스팔트 혼합물을 공극률을 다르게 하여 10개의 시료를 제작하여 실험을 하였으며, 공극률이 고려되어진 기존에 제안된 경험적 모델에 적용하여 분석하였다. 그 결과 연구에서 제작한 배수성 포장 아스팔트와 유사한 아스팔트 혼합물의 경우 연구에서 개발한 모델을 이용하여 투수계수를 산정할 수 있다. 연구에서 개발된 모델은 실험을 통해서 직접 산출한 투수계수와 거의 근접한 것으로 평가되었기 때문이다.
본 연구에서 제안한 투수계수 산정모델은 기존의 공극률이 고려된 경험식을 이용하여 개발되었으며, 실험에 의해 산정된 투수계수와 유사한 결과를 보임으로써 적합성이 검증되었다. 그러므로 연구에서 제안한 투수계수 산정모델은 배수성 포장 아스팔트의 투수계수를 산정할 경우 이용이 가능한 것으로 판단된다.
본 연구에서 제안한 회귀모델의 조건부 표준편차의 크기가 매우 작다고 판단되어질 경우 실험에 의한 투수계수의 회귀모델은 독립변수에 대하여 실제 투수계수의 적절한 예측자라 판단할 수 있다. 이렇듯 독립변수에 대한 투수계수의 예측 평균값의 정확도는 상관계수에 의해 확인이 가능하다.
상관관계분석결과 실험에 의한 투수계수, 회귀모델, 경험적 모델의 변화 추세는 매우 일치하는 것으로 판단하였다. 하지만 Fig.
상관관계분석과 RMSE분석을 수행한 결과 본 연구에서 개발한 회귀모델은 경험적 모델과 비교한 경우 매우 우수한 것으로 판단하였으며, RMSE값을 비교한 경우 경험적 모델에 기초한 회귀모델이 경험적 모델보다 오차가 작은 것으로 판단하였다. 따라서 본 연구에서 개발한 실험에 의한 투수계수의 회귀모델의 검증을 완료하였으며, 경험적 모델의 변수는 본 연구에서 다음 Table 16과 같이 결정하였다.
상관분석결과 경험식에 의한 투수계수와 실험에 의한 투수계수의 결과 값의 변화에 대해 일치하는 정도가 매우 우수한 것으로 분석되었고, 그 결과 실험값과 경험식 값은 매우 일치하는 것으로 판단하였다. 또한 실험에 의해 결정된 회귀모델의 정확성을 판단하기 위해 회귀모델과 경험적 모델의 상관관계를 분석하였다.
기존의 입도와 공극률이 고려된 투수계수산정 경험식에 적용하여 비교분석한 결과 공극률이 증가함에 따라 투수계수도 커지는 경향을 분석하였다. 적용된 투수계수 경험식 Zunker 모델, Slichter 모델, Kozeny-Carman 모델 중 Zunker 모델이 실험을 통해 측정한 투수계수와 가장 유사한 경향을 보였다.

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저자의 다른 논문 :

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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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