[논문]광역적 이동 연무 탐지를 위한 지상 질량 농도를 고려한 적외채널 밝기온도차 경계값 범위 분석

김학성; 정용승; 조재희

doi:10.5467/jkess.2016.37.7.434

초록
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2011-2015년 동안 한국 중부 태안과 청주 강내의 배경 관측지점에서 측정한 PM10, PM2.5 질량 농도를 분석하였다. 황사 사례를 제외한 PM10 질량 농도의 계절변동에서 겨울-봄 동안 높은 농도는 서풍 기류에 의한 영향이 반영되고 있으며, 여름에는 북태평양 기단과 잦은 강수로 낮은 수준을 보이고 있었다. 따라서, 일평균 PM10 질량 농도 $81{\mu}gm^{-3}$ (미세먼지 예보 '약간 나쁨' 이상) 이상의 사례도 겨울-봄 동안에 발생이 많으며, 특히 중국 동부 배출원에 가까운 태안에서 더 많은 사례가 발생하고 있었다. 인위적으로 발생한 연무는 입경 $2.5{\mu}m$ 미만 입자의 구성 비율이 높다. 천리안 위성의 밝기온도차 분석에서 대기와 입자가 작은 연무는 $-0.5^{\circ}K$ 이상에서 관측된다. 2011-2015년 동안 태안과 청주 강내에서 관측한 연무 사례일의 PM10 질량 농도와 NOAA 19 위성 밝기온도차를 분석하였다. PM10 질량 농도는 $200{\mu}g\;m^{-3}$ 보다 낮지만, PM2.5/PM10 질량 농도비는 0.4보다 높고 밝기온도차는 $-0.3-0.5^{\circ}K$ 범위에 분포하고 있었다. 그러나, PM10 질량 농도 $190{\mu}g\;m^{-3}$ 이상인 황사 사례의 밝기온도차는 PM2.5/PM10 질량 농도비가 0.4보다 낮고, 밝기온도차는 $-0.7^{\circ}K$ 이하의 범위에 분포하고 있었다. 이러한 연무의 밝기온도차 경계값 범위를 적용한 결과는 MODIS AOD, OMI AI의 에어로졸 분포 범위와 일치하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study analyzed mass concentrations of PM10 and PM2.5, as measured at Tae-ahn and Gang-nae, Cheongju in central Korea over the period from 2011 to 2015. Higher mass concentrations of PM10, with the exception of dustfall cases during the period of winter and spring, reflected the influence of a p...

This study analyzed mass concentrations of PM10 and PM2.5, as measured at Tae-ahn and Gang-nae, Cheongju in central Korea over the period from 2011 to 2015. Higher mass concentrations of PM10, with the exception of dustfall cases during the period of winter and spring, reflected the influence of a prevailing westerly airflow, while the level of PM10 stayed at a low level in summer, reflecting the influence of North Pacific air mass and frequent rainfall. Accordingly, cases where a daily PM10 average of $81{\mu}gm^{-3}$ or over (exceeding the status of fine dust particles being 'a little bit bad') were often observed during the period of winter and spring, with more cases occurring in parts of Tae-ahn that are located close to the sources of pollutant emission in eastern China. Dustfall usually originated from dust storms made up of particles $2.5{\mu}m$ or over in diameter. However, anthropogenic haze displayed a high composition ratio of particulate less than $2.5{\mu}m$ in diameter. Accordingly, brightness temperature difference (BTD) values from the Communication, Ocean and Meteorological Satellite (COMS) were $-0.5^{\circ}K$ or over in haze with fine particulate. PM10 mass concentrations and NOAA 19 satellite BTD for haze cases were analyzed. Though PM10 mass concentrations were found to be lower than $200{\mu}g\;m^{-3}$, the mass concentration ratio of PM2.5/PM10 was measured as higher than 0.4 and BTD was found to be distributed in the range from -0.3 to $0.5^{\circ}K$. However, the BTD of dustfall cases exceeding $190{\mu}g\;m^{-3}$, were found to be less than 0.4 and BTD was found to be distributed in the range less than $-0.7^{\circ}K$. The result of applying BTD threshold values of the large-scale transport of haze proved to fall into line with the range over which aerosols of MODIS AOD and OMI AI were distributed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

5°K 이상에서 관측된다. 본 연구에서는 황사 탐지에 활용하고 있는 BTD 분석법을 활용하여 연무를 탐지하기 위해 지상 PM10, PM2.5 질량 농도를 적용한 경계값 범위를 산출하여 적용하는 것을 목적으로 한다.

가설 설정

또한 Fig. 6(b)는 구름을 탐지하여 구름화소를 제외한 영상으로 한반도는 구름 화소가 없었다.

제안 방법

2011-2015년 동안 한국 중부 서쪽 끝 해안가에 위치한 태안 측정소와 중부 농촌 배경 관측지역인 청주 강내에서 측정한 PM10, PM2.5 질량 농도를 분석 하였다. 5년 동안 태안과 청주 강내의 PM10 질량 농도는 각각 45.
사례의 BTD 만으로는 황사 탐지에 한계가 있어, BTD와 BTV의 차이를 이용하여 BTD 방법을 활용하고 있다. BTV는 동일한 위성 관측 시각의 사례일을 포함한 과거 10일 동안 최대 BTD를 청정화소로 고려하여 BTV로 하였다. BTD와 BTV 차이에서는 황사 탐지의 경계값을 −0.
따라서, 2011-2015년 동안 태안과 청주 강내에서 측정한 일평균 PM10 질량 농도 81 µg m−3 이상인 사례에 대하여 분석하였다.
본 연구에서는 기상청 황사 탐지를 위한 BTD 방법을 Fig. 2와 같이 개선하여, 중국 동부에서 광역적으로 발생하여 한국 중부로 이동하는 연무를 탐지하는데 활용하였다. 이 방법에서는 NOAA 19 위성의 BTD*, BTV, 그리고 PM10, PM2.
기상청은 천리안 기상 위성의 IR1 (11 µm), IR2 (12 µm) 적외채널의 밝기온도차를 이용한 황사 탐지 방법을 활용하고 있다(KMA, 2009). 사례의 BTD 만으로는 황사 탐지에 한계가 있어, BTD와 BTV의 차이를 이용하여 BTD 방법을 활용하고 있다. BTV는 동일한 위성 관측 시각의 사례일을 포함한 과거 10일 동안 최대 BTD를 청정화소로 고려하여 BTV로 하였다.
연무 사례에 대한 BTD 경계값 범위를 적용한 영상과 RGB 합성영상, MODIS AOD, OMI AI 영상과 비교하였다. 중국 동부지역에서 광역적 연무의 발생과 이동에 대한 BTD 분포 범위는 AOD, AI의 높은 값 범위와 일치하고 있었다.
중국 동부지역에서 광역적으로 발생한 연무의 이동을 관측하기 위해 NOAA 위성 적외채널 BTD 방법에 지상 PM10, PM2.5/PM10를 적용한 경계값 범위를 산출하였다. 기상청 천리안 위성 황사 탐지에 활용하고 있는 BTD 방법에 연무 사례에 대한 지상에서 측정한 PM10, PM2.
태안과 청주 강내에서 미세먼지 예보 등급 ‘나쁨 수준’으로 정하고 있는 일평균 PM10 질량 농도 81 µg m−3 이상인 사례일의 월별 변동을 분석했다.

대상 데이터

2011-2015년 동안 태안과 청주 강내에서 PM10 질량 농도의 일평균과 NOAA 위성 관측시각의 시간평균 모두 81 µg m−3 이상이며, 두 지점이 구름 화소로 제거되지 않는 사례를 선정하였다.
2011-2015년 동안 한국 중부의 서쪽 끝 해안가와 중부 내륙 농촌 지역에 위치한 관측소의 PM10, PM2.5 질량 농도 측정 자료를 활용하였다(Fig. 1). 한국 중부의 서쪽 끝 해안가에 위치한 충청남도 태안군 파도리(Tae-ahn; 36.
5/PM10를 적용한 경계값 범위를 산출하였다. 기상청 천리안 위성 황사 탐지에 활용하고 있는 BTD 방법에 연무 사례에 대한 지상에서 측정한 PM10, PM2.5/PM10을 적용하였다. 연무 사례의 PM10 질량농도는 200 µg m⁻³ 이상 높은 값이 측정되지는 않았지만, BTD −0.
더불어, 중국 북부와 몽골에 발생한 황사가 태안과 청주 강내에 도착하였을 때 PM10 질량 농도의 시간평균 190 µg m−3인 사례를 선정하였다.
따라서, NOAA 위성 BTD를 이용하여 대기 중 연무의 분포를 탐지하기 위해서는 BTD의 경계값 범위를 산출해야 한다. 중국으로부터 광역적으로 발생한 연무 이동에 대하여 지상 PM10 질량 농도를 적용한 NOAA 위성 BTD 경계값 범위를 선정하기 위해 Table 1의 사례일을 선정하였다. Figure 10은 연무 사례일에 대한 NOAA 19 위성 측정 시각의 태안과 청주 강내에서 BTD와 PM10 질량, PM2.

이론/모형

5 질량 농도와 대기경계층의 고도 변동이다. 대기경계층의 고도는 NOAA Air Resources Laboratory에서 산출하였다 (Rolph, 2016). 5월 31일은 광역적 이동 연무의 영향을 받아서 5월 30일과 비교하여, PM10, PM2.

성능/효과

5년 동안 태안과 청주 강내의 PM10 질량 농도는 각각 45.7±11.3, 36.5±8.1 µg m−3으로, 중국 동부 지역에 가까운 태안에서 더 높은 농도 수준을 보이고 있다.
더불어, 황사 사례의 PM2.5/ PM10 질량 농도비는 0.4보다 낮은 수준을 보이며, BTD는 −0.7° K보다 낮은 분포를 보였다.
연무 사례에 대한 BTD 경계값 범위를 적용한 영상과 RGB 합성영상, MODIS AOD, OMI AI 영상과 비교하였다. 중국 동부지역에서 광역적 연무의 발생과 이동에 대한 BTD 분포 범위는 AOD, AI의 높은 값 범위와 일치하고 있었다. 또한, RGB 합성영상에서는 대륙 위에서 연무의 분별이 어려웠지만, BTD는 명확하게 분별해 내고 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대기오염 물질의 배출은 무엇으로 증가하는가 ?	중국의 빠른 경제 성장과 공업화는 화석연료의 사용량 증대를 초래하여 결과적으로 대기오염 물질의 배출을 증가시키고 있다. 최근 중국은 매년 약 30억 톤의 화석연료를 소비하고 있다(Korea Energy EI, 2012).
	황사와 구름을 분별하는 기상청의 방법은 ?	기상청에서는 BTD 방법을 NOAA 위성 AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) 자료에 적용하여 경계값 −0.7o K로 하여 황사와 구름을 분별하였다. 기상청은 천리안 기상 위성에도 IR1 (11µm), IR2 (12 µm) 적외채널의 BTD를 이용한 황사탐지 방법을 적용하고 있다(KMA, 2009).
	청주 강내에서 측정한 PM10, PM2.5 질량 농도를 분석한 결과는 ?	5 질량 농도를 분석 하였다. 5년 동안 태안과 청주 강내의 PM10 질량 농도는 각각 45.7±11.3, 36.5±8.1 µg m−3으로, 중국 동부 지역에 가까운 태안에서 더 높은 농도 수준을 보이고 있다. 태안과 청주 강내에서 측정한 PM10 일평균의 상관관계는 0.67-0.81로 일변동 경향이 거의 일치하고 있다. 지역적 미세먼지 배출이 적은 두 관측지점의 PM10 질량 농도 일변동은 종관적 규모 대기 이동에 의한 영향이 반영되고 있었다.

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