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문제 정의
- 본 연구에서는 다변량통계분석법을 활용하여 SO2, NO2, CO, PM10, O3의 유사한 대기오염거동을 가지는 도시지역을 확인하였고, 서울시 도시대기측정망이 중복성을 나타내는지를 평가하였다.
제안 방법
- 측정망의 중복성 평가를 위해서 주성분 분석과 군집분석을 활용하였고, 이를 통해 현재 도시대기측정소들을 유사성에 기초하여 각각의 주성분과 군집으로 분류하였다. 그리고 기존 측정소들이 동일한 주성분이나 군집에 속해 있어 중복 측정을 하고 있는지를 알아봄으로써 적정한지를 평가하였다(Choi and Lee, 2011; Gramsch et al., 2006; Lu et al., 2011; Pires et al., 2008). 동일한 주성분이나 군집에 속한 경우라도 측정망간 거리가 4km 이상이면 중복성의 기준에서 제외하였다.
- 우리나라 수도권 대도시인 서울지역 도시대기측정망의 적정성 평가를 위해 다변량통계분석을 이용하였다. 다변량분석법을 통해 현재 서울에 위치한 도시대기측정망에 대해서 유사성을 기초로 각각의 주성분과 군집으로 분류하고, 측정소간 거리가 4 km 미만인 대상 측정망군이 동일한 주성분이나 군집에 속하는지를 분석하여 중복성 여부를 평가하였다.
- 두 번째 기준은 다변량통계분석 결과 동일한 주성분이나 군집에 속해 있는 경우이다. 측정망의 중복성 평가를 위해서 주성분 분석과 군집분석을 활용하였고, 이를 통해 현재 도시대기측정소들을 유사성에 기초하여 각각의 주성분과 군집으로 분류하였다. 그리고 기존 측정소들이 동일한 주성분이나 군집에 속해 있어 중복 측정을 하고 있는지를 알아봄으로써 적정한지를 평가하였다(Choi and Lee, 2011; Gramsch et al.
대상 데이터
- 본 연구에서는 2008년부터 2012년까지의 서울시 25개 도시대기측정망 농도자료를 이용하였다. 결측치를 제외한 SO2, NO2, CO, PM10, O3의 각각 24,786, 25,287, 24,038, 21,660, 25,036개 시간별 농도자료를 활용하였고, 통계분석 프로그램은 SAS 9.1을 사용하였다.
- 1과 같다(KECO, 2010). 본 연구에서는 2008년부터 2012년까지의 서울시 25개 도시대기측정망 농도자료를 이용하였다. 결측치를 제외한 SO2, NO2, CO, PM10, O3의 각각 24,786, 25,287, 24,038, 21,660, 25,036개 시간별 농도자료를 활용하였고, 통계분석 프로그램은 SAS 9.
- 연구대상지역인 서울시 25개 도시대기측정망의 위치와 용도지역에 대한 정보는 Table 1, Fig. 1과 같다(KECO, 2010). 본 연구에서는 2008년부터 2012년까지의 서울시 25개 도시대기측정망 농도자료를 이용하였다.
데이터처리
- 우리나라 수도권 대도시인 서울지역 도시대기측정망의 적정성 평가를 위해 다변량통계분석을 이용하였다. 다변량분석법을 통해 현재 서울에 위치한 도시대기측정망에 대해서 유사성을 기초로 각각의 주성분과 군집으로 분류하고, 측정소간 거리가 4 km 미만인 대상 측정망군이 동일한 주성분이나 군집에 속하는지를 분석하여 중복성 여부를 평가하였다.
이론/모형
- 군집화를 통한 군집추출은 크게 비연결 군집분석과 계층적 군집분석으로 나눌 수 있는데, 본 연구에서는 계층적 군집분석의 센트로이드 방법을 사용하였다. 이는 관측치의 중심거리를 먼저 구하고, 이들 중심간의 거리를 구하여 군집간의 거리로 하는 방법이다(Kim, 2012).
- (2005)은 측정소간 거리가 3 km 이내인 측정소에 대한 오염물질별 상관계수를 분석한 결과 높은 상관도로 인해 유사한 대기오염특성을 나타내고 있다고 하였다. 본 연구에서는 환경부의 측정소간 중복성 기준인 4 km을 적용하였다. 모든 측정소간 직선거리를 계산한 결과 환경부 설치기준 4 km 미만의 이격거리를 유지하는 측정망군은 22개로 나타났다.
- 주성분의 개수를 결정하는 방법에는 주성분의 전체 변동에 대한 공헌도를 고려하거나, 1 이상의 고유값(eigenvalue)의 개수만큼 선택하는 방법이 있다(Kim and Kim, 2007). 주성분 적재값의 차이를 보다 크게 하여 각 주성분에 해당하는 변수를 선명하게 가려내기 위해 주성분을 회전시키는데 본 연구에서는 베리맥스 회전법을 이용하였다.
성능/효과
- SO2의 경우 6개의 군집으로 구분되는데, A군집(길음, 번동, 쌍문, 상계), B군집(효제, 대흥, 용두, 면목, 신림), C군집(신정, 화곡, 구로, 당산), D군집(시흥, 사당), E군집(서소문, 한남, 성수, 구의, 반포, 대치, 방이, 천호), F군집(불광, 연희)으로 나눠진다. SO2의 주성분분석 결과와 비교하면 A군집은 주성분 2에 속해있고, B군집은 주성분3, C, D, F군집은 주성분 1, E군집은 주성분 1과 주성분 2에 속해 있음을 알 수가 있다. 강북권역의 A군집, 동서울권역의 B군집, 서남권역의 C군집, 남서울권역의 D군집, 도심, 강남과 동남권 역의 E군집, 서서울권역의 F군집으로 주로 지리적 위치에 의해서 나눠진다는 것을 알 수가 있다.
- 본 연구에서는 환경부의 측정소간 중복성 기준인 4 km을 적용하였다. 모든 측정소간 직선거리를 계산한 결과 환경부 설치기준 4 km 미만의 이격거리를 유지하는 측정망군은 22개로 나타났다. Table 3은 측정망간의 거리가 1.
- 서울시 도시대기측정망의 5개 오염물질 농도자료에 대한 주성분분석결과 SO2의 경우 3개의 주성분이 추출되었지만, NO2, CO, PM10, O3의 경우 각각 1개의 주성분만 추출되어 유사한 대기오염거동을 나타내는 측정소들을 그룹화하기 위한 구분이 어려운 것으로 나타났다. 이를 보완하기 위하여 군집분석을 적용한 결과 도시대기측정망들이 SO2 6개, NO2 6개, CO 3개, PM10 5개, O3 5개의 군집으로 나눠져 주로 서울시의 8개 권역으로 구분됨을 알 수 있었다.
- A군집과 E군집은 도심과 서서울권역, B군집은 강북권역, C군집은 동서울과 동남권역, D군집은 서남, 남서울과 강남권역으로 구분됨을 알 수 있다. 서울시도시대기측정망의 SO2, NO2, CO, PM10, O3 농도자료에 대한 군집분석 결과 기존의 측정소들이 주로 지리적위치, 즉 도심, 강북, 동서울, 동남, 강남, 남서울, 서남, 서서울의 8개 서울시 권역에 따라 군집으로 그룹화 되어 있음을 확인할 수 있다.
- 이를 보완하기 위하여 군집분석을 적용한 결과 도시대기측정망들이 SO2 6개, NO2 6개, CO 3개, PM10 5개, O3 5개의 군집으로 나눠져 주로 서울시의 8개 권역으로 구분됨을 알 수 있었다.
- 측정소간 거리가 4 km 미만이고, 동일한 군집에 속해있어 중복성을 보이는 대상 측정망군은 SO2 12개, NO2 14개, CO 13개, PM10 11개, O3 13개로 나타났고, 모든 항목에 대해서는 천호-구의가 중복성을 보였다.
후속연구
- 다변량분석법을 이용한 도시대기측정망의 적절성 평가는 우리나라에서 운영되고 있는 전체 측정망의 최적위치 선정을 위해서 적용될 수 있고, 측정소을 추가 선정할 때 경제성을 고려하여 최소•최적의 장소를 선정할 수 있는 기초자료 및 공간분석기법을 제공할 수 있을 것으로 판단된다.
- 하지만 기존 도시대기측정망에서는 여러 측정항목들이 각 측정소에서 동시에 측정되고 있기 때문에 하나의 항목만을 기준으로 통합 혹은 이전 설치가 쉽지 않을 것이다. 따라서 이들 측정항목 중 근래에 연평균농도가 증가하고 있고, 대기환경기준의 초과율이 높은 O3을 기준으로 중복되는 지점을 통합하고 필요한 지역에 새로운 지점을 추가 설치하는 방안을 고려해 볼 수 있을 것이다. 그리고 현재의 도시대기측정망은 SO2, NO2, CO, PM10, O3의 모든 항목을 일괄적으로 측정하게 되어 있어 각 도시의 토지이용현황과 측정소 환경에 따른 조건을 반영하지 못하고 있다.
- 그리고 현재의 도시대기측정망은 SO2, NO2, CO, PM10, O3의 모든 항목을 일괄적으로 측정하게 되어 있어 각 도시의 토지이용현황과 측정소 환경에 따른 조건을 반영하지 못하고 있다. 따라서 인근 측정소와 중복성을 보이는 측정항목을 제외한 측정소가 대표하는 항목에 대해서 측정이 이뤄진다면 대기오염의 개선을 위해서 효과적이면서도 경제적으로 측정망을 운영할 수 있고,필요한 지역에 측정소을 추가할 수 있는 여력이 생길 것으로 사료된다.
- 측정항목에 따라 중복성을 나타내는 측정망군이 다르게 나타났고, 각 측정소에서는 여러 항목들이 동시에 측정되고 있어 하나의 항목만을 기준으로 측정소의 통합 혹은 이전설치가 쉽지 않을 거라 판단된다. 하지만 이들 측정항목 중 근래 들어 연평균 농도가 증가하고 있고, 대기환경기준의 초과율이 높은 O3을 기준으로 중복되는 지점을 통합하고 새로운 지점을 추가로 설치하는 방안을 고려해볼 수 있을 것이다. 그리고 각 측정소의 토지이용현황과 측정소 환경을 반영하도록 인근 측정소와 중복성을 보이는 측정항목을 제외한 측정소가 대표하는 항목에 대해서측정하도록 하는 방안을 생각해 볼 수 있다.
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