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문제 정의
- 에어로졸 생성 이외에도 다양한 요인이 황해의 에어로졸 수농도에 영향을 줄 수 있다. 본 연구에서는 선행연구에 이어 에어로졸과 구름응결핵의 수농도 관측 자료를 축적하고, 더 나아가 황해의 에어로졸 수농도에 영향을 주는 요인을 분석하여 해양 경계층의 에어로졸의 특성을 이해하고자 한다.
- 전반적으로 C3의 수농도가 C4의 수농도보다 높은 경향을 보였다. 본 연구에서는 수농도의 차이가 발생하는 요인을 분석하기 위하여 대기 역궤적, 행성경계층 고도, 기상현상에 대한 분석을 수행하였다. 먼저 HYSPLIT 모형을 사용하여 100 m 고도에 대한 72시간 역궤적 분석을 수행하였다(Fig.
- 본 연구에서는 황해에서의 선박관측을 통해 해양경계층 내의 에어로졸과 구름응결핵 특성 분석을 수행하였다. 네 번의 항해 동안 관측한 황해의 직경 10 nm 이상의 에어로졸 총 수농도 평균은 각각 5127, 5001, 8411, 9118 cm−3이었으며, 과포화도 0.
제안 방법
- 관측은 국립기상과학원 소속의 기상관측선인 기상 1호에 관측 장비를 설치하여 수행되었다. 해염입자의 직접적인 영향을 최소화하기 위해 선박의 3층에 컨테이너를 설치하고 컨테이너 내부에 관측 장비를 설치 하여, 공기 흡입구(inlet)의 높이가 해수 표면으로부터약 10 m 고도에 위치하도록 하였다. 본 연구에서는 2014~2015년 동안 총 4번의 선박관측을 수행하였으며, 각 선박관측의 항로와 기간은 각각 Fig.
- 연구에서는 에어로졸 및 구름응결핵 수농도 관측을 위해 미국 TSI사에서 제작한 Condensation Particle Counter (CPC) 2대와 미국 DMT사에서 제작한 Cloud Condensation Nuclei Counter (CCNC)를 사용하였다. 본 연구에서 사용된 CPC는 CPC3772와 CPC3776로 CPC3772는 직경 10 nm 이상, CP3776은 직경 3 nm 이상의 에어로졸 수농도(NCN10, NCN3)를 측정한다.
- 본 연구에서 사용된 CPC는 CPC3772와 CPC3776로 CPC3772는 직경 10 nm 이상, CP3776은 직경 3 nm 이상의 에어로졸 수농도(NCN10, NCN3)를 측정한다. CPC 는 매초마다 관측을 수행하였으며, 본 연구에서는 1분 평균 자료를 분석에 사용하였다. CCNC는 특정 과 포화도에서 구름응결핵의 수농도(NCCN)를 관측할 수 있는데, 본 연구에서는 과포화도를 10분 또는 5분 간격으로 5단계(0.
- CPC 는 매초마다 관측을 수행하였으며, 본 연구에서는 1분 평균 자료를 분석에 사용하였다. CCNC는 특정 과 포화도에서 구름응결핵의 수농도(NCCN)를 관측할 수 있는데, 본 연구에서는 과포화도를 10분 또는 5분 간격으로 5단계(0.2%, NCCN02; 0.4%, NCCN04; 0.6%, NCCN06;0.8%, NCCN08; 1.0%, NCCN10)로 바꾸어 가면서 관측하여 30분마다 구름응결핵 분광 자료를 얻었다. 관측을 수행하기에 앞서 각 관측 장비들의 유량 보정 및 CCNC의 과포화도 보정을 실시하였다.
- CCNC의 내부과포화도 보정은 각각의 선박관측 이전에 지상 실험실에서 수행되었다. NaCl 단분산 에어로졸을 다양한 크기로 발생시켜가면서 CCN 활성화가 일어나는 크기를 찾아 임계과포화도를 계산하였다. 임계과포화도 계산에는 Rose et al.
- (2009)도 황해에서 안개 지역을 벗어난 직후 에어로졸 생성이 발생한 것을 관측한 바 있다. 안면도 기후변화감시소에서도 기상 1호에서 에어로졸 수농도가 급증한 시각보다 약 1시간 후인 오전 11시경 뚜렷한 에어로졸 생성을 관측하였다(Fig. 9b). 기상 1호와 안면도에서 각각 관측한 에어로졸 생성이 같은 현상인지 알아보기 위해 역궤적 분석을 수행하였다.
- 9b). 기상 1호와 안면도에서 각각 관측한 에어로졸 생성이 같은 현상인지 알아보기 위해 역궤적 분석을 수행하였다. Figure 11은 HYSPLIT 모형(Stein et al.
- 은 최빈값이 나타나는 크기를 의미한다. 본 연구에선 안면도 기후변화감시소에서 관측한 에어로졸 크기분포 자료를 기반으로 생성된 에어로졸이 10 nm에서 25 nm로 성장하는 시간으로 입자 성장률을 계산하였다. 5월 4일 에어로졸 생성 사례의 입자 성장률은 3.
- 그럼에도 불구하고 약한 황사가 관측된 5월 4일 에어로졸 생성이 관측되었다. 에어로졸 생성이 일어나기 전에 대기 중 에어로졸의 표면적 농도와 부피농도를 살펴보기 위해 안면도 기후변화감시소의 APS 관측자료를 분석하였다. Figure 12는 에어로졸 생성이 일어난 시기에 안면도 기후변화감시소에서 APS로 관측한 크기별 부피농도를 나타낸 것이다.
- 본 연구에서는 수농도의 차이가 발생하는 요인을 분석하기 위하여 대기 역궤적, 행성경계층 고도, 기상현상에 대한 분석을 수행하였다. 먼저 HYSPLIT 모형을 사용하여 100 m 고도에 대한 72시간 역궤적 분석을 수행하였다(Fig. 14). C3 때의 역궤적을 보면 대부분 공기괴가 장거리 이동을 하지 못하고 황해에 오랫동안 정체되어 있는 반면 C4 때의 역궤적을 보면 대부분 공기괴가 북서쪽으로부터 장거리 수송된 것을 알 수 있다.
- , 2004; Liu and Liang, 2010). 본 연구에서는 행성경계층의 고도를 추정하기 위해 가온위, 상대습도, 총체 리처드슨 수를 사용하였다. 지표면에서부터 고도가 증가할수록 가온위가 급증하다가 경사가 완만해지는 고도, 상대습도의 감률이 최대인 고도, 총체 리처드슨 수가 0.
- 물론 오전 9시 이후에 행성경계 층이 발달하여 고도가 증가하였을 수도 있지만 레윈 존데를 하루에 두 번만 띄워 이를 확인하는 것에는 한계가 있다. 그러므로 본 연구에서는 오전 9시에 관측된 행성경계층 고도만 비교하였다. 행성경계층의 고도가 낮으면 대기가 안정하여 혼합되지 못하고 낮은 고도에 정체되어 좁은 연직고도범위 내에 에어로졸이 축적된다.
- Figure 10은 선박관측시의 안개, 연무, 박무, 강수와 같은 기상현상을 나타낸 것이다. 안개, 박무 모두 에어로졸 수농도를 감소시킬 수 있는 기상현상이므로 앞으로는 안개, 박무 모두 안개로 기술하도록 하겠다. C3 시기에는 안개, 강수가 발생하지 않은 시기가 긴 반면, C4 시기에는 안개, 강수가 발생한 기간이 더 길었다.
- 본 연구의 선박관측 기간 동안 황해에서 에어로졸 생성을 관측한 사례는 한 번 있었으며 이 때 안면도 기후변화감시소에서도 에어로졸 생성을 관측하였다.
대상 데이터
- 관측은 국립기상과학원 소속의 기상관측선인 기상 1호에 관측 장비를 설치하여 수행되었다. 해염입자의 직접적인 영향을 최소화하기 위해 선박의 3층에 컨테이너를 설치하고 컨테이너 내부에 관측 장비를 설치 하여, 공기 흡입구(inlet)의 높이가 해수 표면으로부터약 10 m 고도에 위치하도록 하였다.
- 해염입자의 직접적인 영향을 최소화하기 위해 선박의 3층에 컨테이너를 설치하고 컨테이너 내부에 관측 장비를 설치 하여, 공기 흡입구(inlet)의 높이가 해수 표면으로부터약 10 m 고도에 위치하도록 하였다. 본 연구에서는 2014~2015년 동안 총 4번의 선박관측을 수행하였으며, 각 선박관측의 항로와 기간은 각각 Fig. 1과 Table 1에 나타내었다. 각 항해는 C1, C2, C3, C4로 명명하였다.
- 연구에서는 에어로졸 및 구름응결핵 수농도 관측을 위해 미국 TSI사에서 제작한 Condensation Particle Counter (CPC) 2대와 미국 DMT사에서 제작한 Cloud Condensation Nuclei Counter (CCNC)를 사용하였다. 본 연구에서 사용된 CPC는 CPC3772와 CPC3776로 CPC3772는 직경 10 nm 이상, CP3776은 직경 3 nm 이상의 에어로졸 수농도(NCN10, NCN3)를 측정한다. CPC 는 매초마다 관측을 수행하였으며, 본 연구에서는 1분 평균 자료를 분석에 사용하였다.
- 안면도에 위치한 기후변화감시소(36° 32'N, 126° 19'E)에서는 미국 TSI사에서 제작한 scanning mobility particle sizer (SMPS; TSI3034)와 aerosol particle sizer (APS; TSI 3321)로 에어로졸의 크기분포를 지속적으로 관측하고 있다. 본 연구에서는 C2, C3, C4 동안의 SMPS 와 APS 자료를 받아 분석에 사용하였다.
이론/모형
- 임계과포화도 계산에는 Rose et al. (2008)이 analytical approximation 1이라 명명한 Köhler 모델을 사용하였다.
- 즉 황해에서 발생한 에어로졸 생성이 유입되어 안면도 기후변화감시소에서도 관측된 것으로 보인다. 생성된 에어로졸의 성장속도를 알아보기 위해 Kulmala et al. (2004)이 제안한 입자 성장률(GR; Growth Rate)을 계산하였다.
성능/효과
- 의 시계열도를 나타낸 것이다. 일부 고농도 사례를 제외하면 전반적으로 C3의 NCN10, NCN3, NCCN06이 높게 나타났다. 각 항해마다 항로가 다르지만 중복되는 지점의 에어로졸과 구름응결핵 수농도도 C3에서 가장 높게 나타났다.
- 일부 고농도 사례를 제외하면 전반적으로 C3의 NCN10, NCN3, NCCN06이 높게 나타났다. 각 항해마다 항로가 다르지만 중복되는 지점의 에어로졸과 구름응결핵 수농도도 C3에서 가장 높게 나타났다. 즉 C3의 높은 수농도 특성은 관측 위치에 의한 것이 아니라 관측 시기에 기인한 것으로 생각된다.
- 에어로졸은 크기가 크거나 흡습성이 높을수록 구름응결핵으로 작용하기 쉽다. 즉 C2와 C4의 고농도 사례가 관측된 기간에는 그 크기가 작거나 흡습성이 낮은 에어로졸의 비율이 높았다는 것을 알 수 있다. 각 항해의 수농도 평균값은 Table 1에 나타내었다.
- 본 연구에서 관측한 황해의 NCN10은 서울에서 관측한 NCN10 (17811 cm−3)보다 낮았으며, 영종도에서 관측한 값(3011 cm−3)보다는 높았고, 대관령과 고산에서 관측한 값 (5069, 4600 cm−3)과 유사하였다(Yum et al., 2007; Kim et al., 2011, 2012, 2014).
- C1과 C2의 경우 항구 근처를 제외한 대부분의 지역에서 NCN10이 7000 cm−3 이하였지만, C3의 경우 대부분의 지역에서 NCN10이 7000 cm−3 이상이었으며, C4에서는 에어로졸 생성으로 인해 한반도 인근 해역에서 NCN10이 매우 높게 나타났다. 황해 한가운데에 비해 육지에 인접한 해역에서의 NCN10이 비교적 더 높았으며, 중국 인근 해역뿐만 아니라 한반도 인근 해역에서도 NCN10이 높은 경향을 보였다 만약 황해의 에어로졸 수농도가 중국으로부터의 영향만 주로 받는다면 황해의 서부가 가장 수농도가 높고 동쪽으로 갈수록 농도가 점차 감소할 것이다. 그러나 황해의 중앙부분까지는 동쪽으로 갈수록 에어로졸 수농도가 점차 감소하지만 그 이후로부터는 다시 증가하는 양상을 보였다.
- 2 이하로 낮은 값을 보였다. 즉 황해의 에어로졸 총 수농도 중에서 직경 10 nm 이하의 에어로졸이 차지하는 비는 매우 작았으며, C4를 제외하면 에어로졸 생성을 직접적으로 관측하지는 못한 것으로 보인다. 에어로졸 생성이란 이산화황 등의 전구기체로부터 매우 작은 입자가 생성되어 직경 수 nm 이하의 에어로졸의 수농도가 급격하게 증가하는 현상을 말한다 (Kulmala et al.
- , 2004, 2013). 즉, 에어로졸 생성이 일어나는 순간에는 직경 10 nm 이하의 초미세 에어로졸의 비가 매우 높아야 하는데, 본 연구에서는 C4의 5월 4일을 제외하면 초미세 에어로졸의 비가 매우 낮았다. Figure 6은 C2, C3, C4의 기간 동안 안면도 기후변화감시소에서 SMPS로 관측한 에어로졸 크기분포의 시계열을 나타낸 것이다.
- , 2011). 본 연구의 선박관측 동안 상대습도가 비교적 높고, 안개가 짙어 지표면까지 도달하는 태양복사량이 감쇠되는 때가 많아 에어로졸 생성이 잘 관측되지 않은 것으로 보인다(Fig. 10). 반면 5월 4일에는 오전 10시경부터 안개가 걷히기 시작하면서 에어로졸의 수농도가 급증하기 시작하였다(Figs.
- 네 번의 항해 동안 관측한 황해의 직경 10 nm 이상의 에어로졸 총 수농도 평균은 각각 5127, 5001, 8411, 9118 cm−3이었으며, 과포화도 0.6%에서의 구름응결핵 수농도 평균은 각각 2486, 3361, 4583, 2980 cm−3였다.
- 3이상이 되는 고도를 행성경계층의 고도로 간주할 수 있다. 각 방법으로 추정된 행성경계층의 고도가 조금 달랐지만 오전 9시 C3 시기의 행성 경계층의 고도는약 200~300 m, C4 시기의 행성 경계층의 고도는 400~700 m로 C4의 행성경계층의 고도가 C3의 행성경계층의 고도보다 높았다. 물론 오전 9시 이후에 행성경계 층이 발달하여 고도가 증가하였을 수도 있지만 레윈 존데를 하루에 두 번만 띄워 이를 확인하는 것에는 한계가 있다.
- 6%에서의 구름응결핵 수농도 평균은 각각 2486, 3361, 4583, 2980 cm−3였다. 황해의 에어로졸 수농도는 육지에 인접할수록 농도가 증가하는 경향을 보였으며 황해 중앙에서 최소값을 보였다. 이는 황해의 에어로졸 수농도가 중국뿐만 아니라 한반도의 영향도 받는 것을 의미한다.
- 입자 성장률은 3.38 nm h−1로 느린 입자 성장속도를보였으며 황해에서 에어로졸 생성이 관측된 시간보다 약 1시간 후에 안면도 기후변화감시소에서 생성이 관측되었다.
- 두 항해 때의 상이한 공기괴의 역궤적, 해양 경계층의 고도, 기상상황 등이 에어로졸과 구름응결핵의 수농도 차이를 야기한 것으로 보인다. 즉, 해양 경계층의 고도가 낮아 공기괴가 안정되게 정체되어 있었던 C3의 에어로졸과 구름응결핵의 수농도가 더 높았다. 안개 · 박무 등의 기상현상이 발생하여 습식 포집에 의해 에어로졸과 구름응결핵의 수농도 감소에 기여한 것으로 판단된다.
- 본 연구의 결과는 황해의 에어로졸과 구름응결핵의 수농도가 여러 가지 요인에 의해 영향을 받으므로 단발적인 관측으로는 황해지역을 대표하는 에어로졸과 구름응결핵의 특성을 밝히기 어렵다는 것을 보여준다. 본 연구에서는 봄과 가을에 관측한 에어로졸과 구름 응결핵 수농도에 대해 분석하였는데 여름과 겨울에는 공기괴의 역궤적, 해양 경계층의 고도, 기상상황 등이 달라지므로 에어로졸과 구름응결핵의 수농도 역시 계절에 따라 크게 달라질 수 있다는 것을 예상할 수 있다.
- 본 연구의 결과는 황해의 에어로졸과 구름응결핵의 수농도가 여러 가지 요인에 의해 영향을 받으므로 단발적인 관측으로는 황해지역을 대표하는 에어로졸과 구름응결핵의 특성을 밝히기 어렵다는 것을 보여준다. 본 연구에서는 봄과 가을에 관측한 에어로졸과 구름 응결핵 수농도에 대해 분석하였는데 여름과 겨울에는 공기괴의 역궤적, 해양 경계층의 고도, 기상상황 등이 달라지므로 에어로졸과 구름응결핵의 수농도 역시 계절에 따라 크게 달라질 수 있다는 것을 예상할 수 있다. 따라서 황해지역을 대표하는 에어로졸과 구름응 결핵의 특성에 대한 정보를 얻기 위해서는 앞으로도 황해지역에서의 지속적인 관측이 필요하다.
- 반면 본 연구의 결과에서는 황해의 에어로졸 수농도가 중국뿐만 아니라 한반도의 영향도 크게 받는 것을 알 수 있다. 즉 큰 규모로 봤을 때 한반도의 에어로졸 수농도는 중국의 영향으로 서에서 동으로 갈수록 감소하는 경향을 보이지만, 작은 규모로 봤을 때 에어로졸 수농도는 한반도내의 오염원의 영향을 받아 오염원에 가까울수록 증가하는 경향을 보이는 것으로 생각된다. 등위도 항해 동안의 NCN10 최소값은 약 2000 cm−3으로 Kim et al.
- (2009) 이 2005년에 관측한 황해 남부의 NCN10의 최소값인 837 cm−3보다는 두 배 이상 높았는데 이 값은 황해 남부에서 남쪽으로부터 유입된 공기괴를 관측했을 때 나타났다. 본 연구에서는 공기괴가 주로 북서쪽이나 동쪽에서 유입되어 2005년에 비해 높은 NCN10의 최소 값이 관측된 것으로 보인다. 즉 남쪽, 청정한 지역에서 공기괴가 유입되었을 때의 황해의 NCN10의 배경값은약 800 cm−3이며, 서쪽이나 동쪽으로부터 공기괴가 유입되었을 때의 황해의 NCN10의 배경값은 약 2000 cm−3인 것으로 보인다.
후속연구
- 각 방법으로 추정된 행성경계층의 고도가 조금 달랐지만 오전 9시 C3 시기의 행성 경계층의 고도는약 200~300 m, C4 시기의 행성 경계층의 고도는 400~700 m로 C4의 행성경계층의 고도가 C3의 행성경계층의 고도보다 높았다. 물론 오전 9시 이후에 행성경계 층이 발달하여 고도가 증가하였을 수도 있지만 레윈 존데를 하루에 두 번만 띄워 이를 확인하는 것에는 한계가 있다. 그러므로 본 연구에서는 오전 9시에 관측된 행성경계층 고도만 비교하였다.
- 본 연구에서는 봄과 가을에 관측한 에어로졸과 구름 응결핵 수농도에 대해 분석하였는데 여름과 겨울에는 공기괴의 역궤적, 해양 경계층의 고도, 기상상황 등이 달라지므로 에어로졸과 구름응결핵의 수농도 역시 계절에 따라 크게 달라질 수 있다는 것을 예상할 수 있다. 따라서 황해지역을 대표하는 에어로졸과 구름응 결핵의 특성에 대한 정보를 얻기 위해서는 앞으로도 황해지역에서의 지속적인 관측이 필요하다.
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