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문제 정의
- 수치모델링을 통한 황사의 발생기작과 수송과정을 살펴보기 위하여 3차원 중규모 기상 및 대기질 모델링을 수행하였으며, 수치모의 결과를 이용해 동아시아영역(한반도 포함)에서의 황사농도에 대한 시·공간분포 특성을 분석하였다. 또한 고도에 따른 황사농도의 연직단면도를 분석하여 황사의 발생과 발원지로부터 수송되는 과정에 대해 살펴보았다. 여기서 연직단면도는 황사가 많이 배출되는 주요 발원지(고비사막, 몽골 등)의 위치와 발원지에서 한반도까지 수송되는 과정 등을 자세히 파악하기 위하여 총 4개의 위도(50°N, 42°N, 38°N, 33°N)를 중심으로 단면선을 작성하여 연직단면도를 분석하였다(그림 1).
- 본 연구에서는 최근 나타난 최악의 황사 사례일 2010년 3월 20~21일과 사례일 전후를 대상으로 황사의 발생 및 수송과정 그리고 PM10 농도의 분포특성을 살펴보기 위하여, 연구기간의 동아시아 영역의 종관일기도, 정지궤도위성(MTSAT-1R)의 적외선광학두께지수(IODI: Infrared Optical Depth Index) 영상자료, 우리나라 주요 도시의 시간별 PM10 농도자료 등을 이용하였다. 종관일기도와 IODI 영상자료는 각각 기상청과 국가기상위성센터(http://nmsc.
제안 방법
- CMAQ 모델의 오염물질에 대한 초기/경계 조건에서 모델링 기간의 맨 첫날은 모델 내에서 제공하는 대기오염물질 프로파일 자료를 활용하였고(Stockwell et al., 1990), 그 다음 날(예, 둘째와 셋째 날)의 초기/경계조건 자료는 각 해당되는 날짜의 바로 직전 날(둘째 날은 첫날을, 셋째 날은 둘째 날을 이용)의 결과를 이용하여 수행하였다.
- 다만, 수치모델의 결과값은 약 10 km 격자 해상도에서 추출된 황사(PM10 포함) 농도이므로 관측지점의 위경도와 정확하게 일치하지 않는다는 점을 감안하여 대구와 제주도의 전체 측정지점(각각 14개와 3개 지점)에 대해 분석하였다.
- 발원지 토양은 중국의 토양도와 몽골의 토양정보 등을 이용하여 고비(Gobi), 모래(Sand), 황토(Loess), 혼합(Mixed) 총 4가지로 구분하였다(In and Park, 2002). 또한 황사 발원지의 24개 식생정보(USGS, US Geological Survey)를 적용하고 이에 따른 감쇄인자를 고려하여 최종 배출량(Fa)을 산정하였다(Lee, 2009). 마찰속도(u*)가 임계마찰속도(u*t) 이상의 값을 갖는다는 조건하에 최종적으로 배출량 산정식은 다음과 같다.
- 모델링 기간은 2010년 3월 16일 00 UTC(09 LST)부터 2010년 3월 21일 18 UTC(22일 03 LST)으로 선정하였으며, 모델 초기조건의 불확실성에 따른 영향을 최소화하기 위하여 첫 하루 (24시간)를 spin-up 기간으로 하였다.
- 본 연구는 최근 10여 년간 한반도에서 가장 극심했던 황사발생일의 사례연구로써(2010년 3월 20~21일, 최고 약 3,000 μg/m3의 PM10 농도), 황사의 발생기작과 수송과정 등을 관측 자료(일기도, 위성영상 자료 등)와 수치모델링을 통해 살펴보았다.
- 본 연구는 사례연구로써, 최근 우리나라에 나타난 최악의 황사 사례일(2010년 3월 20~21일)을 대상으로 황사의 발생, 발원지에서 한반도로의 수송되는 모습, 황사 수송시의 종관기상조건 및 농도분포, 그리고 황사의 영향범위 예측 등을 일기도, PM10 농도, 위성영상 자료와 3차원 기상-대기질 모델링의 수치모의 결과를 이용하여 상세하게 분석하였다.
- 본 연구에서의 황사 수치모의 분석을 통해 종관기상학적(일기도 등) 해석의 한계점을 보완하며, 황사 발생 및 수송과정을 보다 상세히 이해하게 되었다.
- 수치모델링을 통한 황사의 발생기작과 수송과정을 살펴보기 위하여 3차원 중규모 기상 및 대기질 모델링을 수행하였으며, 수치모의 결과를 이용해 동아시아영역(한반도 포함)에서의 황사농도에 대한 시·공간분포 특성을 분석하였다.
- 아울러 우리나라에서 가장 높은 PM10 농도를 기록하였던 대구시(14 지점)와 제주도(3 지점)의 농도 자료를 이용하여 황사 수치모의 결과와의 비교·검증을 수행하였다.
- 여기서 연직단면도는 황사가 많이 배출되는 주요 발원지(고비사막, 몽골 등)의 위치와 발원지에서 한반도까지 수송되는 과정 등을 자세히 파악하기 위하여 총 4개의 위도(50°N, 42°N, 38°N, 33°N)를 중심으로 단면선을 작성하여 연직단면도를 분석하였다(그림 1).
- 이외에도 본 연구에서 이용된 인위적 배출량 자료에 대해, 동아시아 영역은 CGRER(Center for Global and Regional Environmental Research)에서 제공하는 INTEX-B(Intercontinental Chemical Transport Experiment-phase B) (Zhang et al., 2009), 우리나라 남한영역은 국립환경과학원에서 제공하는 국가 배출량 인벤토리 CAPSS(Clean Air Policy Support System)를 활용하여 시·공간 분포를 분석하였다(National Institute of Environmental Research, 2010).
- 한편, 일기도와 위성영상은 구름 등의 요인으로 인해 황사 발생 위치와 수송과정을 정확하게 파악하는 데 일부 한계가 있어, 본 연구에서는 3차원 기상-대기질 수치모델링을 수행하였고 그 결과 분석을 3.2절에 나타낸다.
- 황사 발생과 수송과정을 보다 정확하게 살펴보기 위하여 고도-경도의 연직단면도를 분석하였다(그림 6). 그림에 나타난 각 단면선은 그림 1에서 제시한 총 4개의 위도(50°N, 42°N, 38°N, 33°N)를 중심으로 자른 단면선을 나타낸다(A-A′, B-B′, C-C′, D-D′).
- 황사 배출량을 산정하기 위해서 먼저 WRF의 출력자료를 CMAQ의 입력형태로 바꿔주는 MCIP (Meteorology-Chemistry Interface Processor) 과정을 수행하고 이를 통해 얻어지는 기상자료를 활용하여 각 발원지의 지표특성과 토양에 따라 다르게 나타나는 임계마찰속도(u*t, threshold friction velocity)를 계산하였다.
대상 데이터
- 그림 7은 황사 수치모의(WRF-CMAQ 모델링 시스템) 결과와 관측값을 비교하기 위한 시계열 그림을 나타낸다. 그림 2에서 알 수 있듯이, 우리나라 주요 도시중에서 가장 PM10 농도가 높았던 대구와 제주도를 대상으로 비교하였다. 다만, 수치모델의 결과값은 약 10 km 격자 해상도에서 추출된 황사(PM10 포함) 농도이므로 관측지점의 위경도와 정확하게 일치하지 않는다는 점을 감안하여 대구와 제주도의 전체 측정지점(각각 14개와 3개 지점)에 대해 분석하였다.
- 기상모델의 초기/경계 조건에 이용된 자료는 NCEP/NCAR에서 제공하는 FNL 재분석 자료(6시간 간격, 1°×1°의 해상도)를 이용하였다.
- 기상모델인 WRF의 수치모의 영역은 그림 1과 같이 30 km (Domain 1)와 10 km (Domain 2)의 둥지격자를 사용하였다.
- 모델 수행에서 토지피복도는 USGS (US Geological Service) 30초 자료를, 지형자료는 SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) 30초 자료를 활용하였다.
- 본 연구사례일의 황사발생과 수송과정에 영향을 주는 종관기상은 바이칼 호 서남쪽 부근(투바공화국과 몽골의 서쪽 경계)의 등압선이 조밀한 지역에서 강한 기압경도력이 형성되어 강한 기류가 발생하고(3월 18일), 이 기류는 고비사막과 내몽골 주변의 기류(3월 19일)와 합쳐져 빠른 속도로 다량의 황사먼지가 수송되는 특징이었다.
- 농도자료 등을 이용하였다. 종관일기도와 IODI 영상자료는 각각 기상청과 국가기상위성센터(http://nmsc.kma.go.kr/)에서 제공받아 활용하였으며, PM10 자료는 환경부 산하 주요 도시 내 대기질 측정지점(특히, 대구의 노원동과 서귀포의 동홍동)에서 관측한 시간별 자료이다. 이 외에도, 연구사례일의 한반도 전역에 대한 PM10 농도 분포 특성을 알아보기 위하여 대기환경연보에서 제공하는 도시 내 지점별 최고농도를 이용하였다(Korean Ministry of Environment, 2011).
데이터처리
- 수치모의 결과의 신뢰성 평가를 위해 우리나라 주요도시를 대상으로 수행한 기온과 풍속의 통계 검증(IOA, RMSE, MBE 등)을 표 1에 제시하였다. 기온의 경우 강릉(0.
- 여기서 연직단면도는 황사가 많이 배출되는 주요 발원지(고비사막, 몽골 등)의 위치와 발원지에서 한반도까지 수송되는 과정 등을 자세히 파악하기 위하여 총 4개의 위도(50°N, 42°N, 38°N, 33°N)를 중심으로 단면선을 작성하여 연직단면도를 분석하였다(그림 1). 이외에도, 모델결과의 신뢰성을 평가하기 위하여 우리나라 주요 도시(서울, 광주, 대전, 부산, 대구, 제주)의 기상관측지점에서 관측된 시간별 기온, 풍속과 모델에서 계산된 최하층 값(Sigma level=0.999)을 비교분석하였다. 이용된 통계변수는 IOA(Index Of Agreement), RMSE (Root Mean Square Error), MBE (Mean Bias Error)이다.
- 999)을 비교분석하였다. 이용된 통계변수는 IOA(Index Of Agreement), RMSE (Root Mean Square Error), MBE (Mean Bias Error)이다. 아울러 우리나라에서 가장 높은 PM10 농도를 기록하였던 대구시(14 지점)와 제주도(3 지점)의 농도 자료를 이용하여 황사 수치모의 결과와의 비교·검증을 수행하였다.
이론/모형
- CCTM (CMAQ Chemical-Transport Model) 과정에 이용된 에어로졸 메커니즘은 AERO-05, 화학메커니즘은 SAPRC-99을 활용하였으며, 수평 및 연직확산에는 각각 multiscale과 ACM2 (Asymmetric Convective Method 2) scheme, 수직이류는 PPM(Piecewise Parabolic Method) scheme을 사용하였다(http://www.cmaqmodel.org/).
- WRF 모델은 NCEP (National Center for Environmental Prediction)과 NCAR (National Center for Atmospheric Research)가 공동 개발한 완전 압축성 비정수계(Fully compressible non-hydrostatic) 방정식을 사용한다.
- 기상모델의 주요 물리과정에서 해상도에 따른 적운 모수화 방법은 KainFritsch scheme (Kain, 2004), 중규모에 적합한 미세물리과정은 WRF Single-Moment 3-class scheme (ARW, 2014), 장파와 단파 대기복사 과정은 각각 RRTM(Rapid Radiative Transfer Model) scheme과 Dudhia scheme을 사용하였다(Dudhia, 1989).
- 기상모델의 주요 물리과정에서 해상도에 따른 적운 모수화 방법은 KainFritsch scheme (Kain, 2004), 중규모에 적합한 미세물리과정은 WRF Single-Moment 3-class scheme (ARW, 2014), 장파와 단파 대기복사 과정은 각각 RRTM(Rapid Radiative Transfer Model) scheme과 Dudhia scheme을 사용하였다(Dudhia, 1989). 또한 대기경계층의 조건은 YSU (YonSei University) scheme을 사용하였다(Hong et al., 2006). 모델 수행에서 토지피복도는 USGS (US Geological Service) 30초 자료를, 지형자료는 SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) 30초 자료를 활용하였다.
- 본 연구에서 기상 및 황사의 수치모의를 위해 이용된 기상과 대기질 모델은 각각 WRF(Weather Research and Forecasting, version 3.6)와 CMAQ (Community Multi-scale Air Quality, version 5.0.1) 모델이다.
- WRF 모델은 NCEP (National Center for Environmental Prediction)과 NCAR (National Center for Atmospheric Research)가 공동 개발한 완전 압축성 비정수계(Fully compressible non-hydrostatic) 방정식을 사용한다. 수평격자는 Arakawa-C 격자체계를 사용하고 연직 격자로는 높이와 지형에 근거하여 새로 추가된 Eulerian 질량좌표계를 사용한다(Skamarock et al., 2008). 또한 WRF 모델은 NCEP에서 현업에 활용해 온 모델로서 현재 세계적으로 널리 보급되어 많은 연구에 이용되고 있다(Advanced Research WRF (ARW), 2014).
- kr/)에서 제공받아 활용하였으며, PM10 자료는 환경부 산하 주요 도시 내 대기질 측정지점(특히, 대구의 노원동과 서귀포의 동홍동)에서 관측한 시간별 자료이다. 이 외에도, 연구사례일의 한반도 전역에 대한 PM10 농도 분포 특성을 알아보기 위하여 대기환경연보에서 제공하는 도시 내 지점별 최고농도를 이용하였다(Korean Ministry of Environment, 2011).
성능/효과
- 8 이상의 높은 IOA를 나타내고 있으나, 모델값이 관측값과 비교해 약 2~4℃ 정도 과소평가 되고 있으며 RMSE도 약 3~4℃ 정도를 나타내고 있다. 강릉지역은 상대적으로 좋지 않은 결과(가장 낮은 IOA와 높은 RMSE)를 보였다. 풍속의 경우는 강릉, 대전, 대구를 제외하고 대부분 0.
- 이후 20일 19시~20시에 농도가 급증하여(약 1,000~2,000 μg/m3 이상) 20시~23시 사이에 최고 수치(약 2,500~3,000 μg/m3)를 보였으며, 다시 그 이후로 급격히 감소하였다. 또한 서귀포 동홍동의 경우 대구 노원동에 비해 황사영향으로 인한 농도 증가 시각이 조금 빠르고 상대적으로 오랜 시간 지속되는 특징을 보였다. 이외에도 황사영향이 거의 없는 20일 오전시간대에는 노원동 지점이 동홍동 지점보다 조금 높은 PM10 농도가 관측되었는데, 이는 일반적인 대도시 패턴으로 대구지역이 제주도와 비교하여 다소 대기질이 좋지 않음을 시사한다.
- 전반적으로 수치모의 결과와 관측값의 시간변화는 유사하게 나타났다. 즉, 모델값과 관측값 모두 3월 20일 늦은 오후부터(18~19시경) 농도가 증가하기 시작하여 21~23시 사이에 최고 농도가 나타났다. 한편 대구지역에서 수치모의 결과(약 1,000 μg/m3)는 관측값(약 3,000 μg/m3)에 비해 상당히 과소모의 된 반면, 제주도에서는 상대적으로 서로 유사한 농도 수준(약 2,500~3,000 μg/m3)을 보였다.
후속연구
- 또한 많은 연구에서 황사의 주요 발원지는 고비사막 및 내몽골, 황토고원으로 알려져 있는데, 다양한 발생 및 수송패턴(배출량, 수송고도, 기상조건 등)의 황사사례에 대한 정확한 해석을 위해서는 주요 발원지에서의 황사연구뿐만 아니라 그 외 여러 건조지역에서의 황사 발생, 수송과정, 영향에 대한 연구와 병행하여 종합적인 분석이 필요하다고 사료된다. 따라서 향후 우리나라에서 관측되는 여러 고농도 황사사례일의 다양한 수치모의분석을 통하여 보다 정확한 황사 발생(발원지 규명) 및 수송과정과 영향지역의 고농도현상에 대해 면밀한 원인규명이 요구된다.
- 본 연구에서의 황사 수치모의 분석을 통해 종관기상학적(일기도 등) 해석의 한계점을 보완하며, 황사 발생 및 수송과정을 보다 상세히 이해하게 되었다. 또한 많은 연구에서 황사의 주요 발원지는 고비사막 및 내몽골, 황토고원으로 알려져 있는데, 다양한 발생 및 수송패턴(배출량, 수송고도, 기상조건 등)의 황사사례에 대한 정확한 해석을 위해서는 주요 발원지에서의 황사연구뿐만 아니라 그 외 여러 건조지역에서의 황사 발생, 수송과정, 영향에 대한 연구와 병행하여 종합적인 분석이 필요하다고 사료된다. 따라서 향후 우리나라에서 관측되는 여러 고농도 황사사례일의 다양한 수치모의분석을 통하여 보다 정확한 황사 발생(발원지 규명) 및 수송과정과 영향지역의 고농도현상에 대해 면밀한 원인규명이 요구된다.
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