[논문]황사 발원지에서 선포토미터를 활용한 에어로졸의 광학적 특성 산출과 미세먼지속 황사구분

신동호; 노영민

doi:10.7780/kjrs.2016.32.3.4

초록
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황사의 주요 발원지인 중국 북부 둔황지역에 선포토미터를 설치하여 440, 675, 870 그리고 1020 nm 채널에서 황사의 파장별 입자편광소멸도를 산출하였다. 이와 함께 발원한 황사가 장거리 수송과정에 위치한 제주 고산과 일본 오사카에 설치된 선포토미터를 함께 분석하였다. 황사 발원지에서 1020 nm 파장에서 입자편광소멸도가 0.34로 가장 높은 수치를 보였다. 또한, 초미세먼지농도가 증가하는 경우 입자편광소멸도는 감소하는 경향을 보였다. 우리는 본 연구에서 선포토미터의 입자편광소멸도 산출을 통해 에어로졸에서 황사의 구성 비율이 변화함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

We present linear particle depolarization ratio at 440, 675, 870, and 1020 nm retrieved from measurements with an AERONET sun/sky radiometer at the source region of Asian dust, Dunhuang. The linear particle depolarization ratios are retrieved at the two receptor sites (Gosan and Osaka). The highest ...

We present linear particle depolarization ratio at 440, 675, 870, and 1020 nm retrieved from measurements with an AERONET sun/sky radiometer at the source region of Asian dust, Dunhuang. The linear particle depolarization ratios are retrieved at the two receptor sites (Gosan and Osaka). The highest linear particle depolarization ratio of 0.34 at 1020 nm is retrieved from nearly pure Asian dust. The linear particle depolarization ratio decreased as the volume concentration of fine-mode particle increased. We can confirm that the ratio of Asian dust is changed by the value of the linear particle depolarization ratio retrieved by AERONET data.

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문제 정의

이에 본 연구는 관측활동이 어려운 황사 발원지인 중국 둔황(Dunhuang)지역에 설치한 선포토미터 자료 분석을 통해 황사성분의 입자편광소멸도를 분석하고, 황사의 장거리 이동경로에 위치한 제주고산과 일본 오사카에 설치된 선포토미터로부터 산출한 광학적 분석결과를 비교연구 하였다. 이를 통해 선포토미터로 산출한 입자편광소멸 자료를 통해 대기 중 황사를 구분과 혼합특성 구분하는 자료로 활용 가능한 기반을 마련하고자 한다.
(2016)은 선포토미터로 입자편광소멸도를 산출하는 방법과 라이다로 입자편광소멸도를 산출한 결과 비교를 통해 선포토미터 입자편광소멸도의 유용성 확인하고 자세한 산출방법을 제시하였다. 이에 본 논문에서는 앞선 선포토미터 입자편광소멸도 분석 방법을 간략하게 소개하고자 한다.
, 2012)이 개발되었지만, 이를 통한 대기 중 황사 구분연구에 활용되지 못하였다. 이에 본 연구는 관측활동이 어려운 황사 발원지인 중국 둔황(Dunhuang)지역에 설치한 선포토미터 자료 분석을 통해 황사성분의 입자편광소멸도를 분석하고, 황사의 장거리 이동경로에 위치한 제주고산과 일본 오사카에 설치된 선포토미터로부터 산출한 광학적 분석결과를 비교연구 하였다. 이를 통해 선포토미터로 산출한 입자편광소멸 자료를 통해 대기 중 황사를 구분과 혼합특성 구분하는 자료로 활용 가능한 기반을 마련하고자 한다.

제안 방법

발원지와 장거리 이동 지역에서의 입경별 농도분포 특징을 살펴보기 위해 각각의 지점에서 에어로졸 광학적두께(Aerosol Optical Depth,AOD),파장멱지수(Angstrom Exponent),전체부피농도(Total Particle volume concentration), 초미세먼지 농도, 조대입자 농도 그리고 조대입자 분율(the ratio of coarse mode volume concentration)를 분석하여 표 1에 나타냈다.
본 연구는 처음으로 황사 발원지인 중국 둔황의 선포토미터 관측을 통해 생산된 데이터를 이용하여 입자편광소멸도를 산출하고, 단산란알베도와 입경별 농도간의 상관관계를 비교하였다. 또한, 황사의 이동지점에 위치한 제주 고산과 일본 오사카에 위치한 관측데이터 비교를 수행하였다.
(2016)의 선행연구에서도 1020 nm 파장에서 입자편광소멸도가 라이다로 관측된 입자편광소멸도와 가장 높은 상관관계를 보이고 있음을 확인 하였다. 조대입자로 구성된 황사가 자외선 파장 영역에서 산란효율이 높게 나타난 결과로 황사의 영향을 중심으로 한 본 연구에서는 1020 nm 파장의 입자편광소멸도에 초점을 맞추어 분석을 수행하였다.
황사에 초미세먼지 성분이 혼합되어 있는 경우 입자 편광소멸도는 감소한다는 사실을 바탕으로 황사 이동경로에 위치한 제주 고산 그리고 일본 오사카의 입자편광소멸도 수치 비교하였다. 고산과 오사카의 데이터는 선행연구(Kim et al.

대상 데이터

황사에 초미세먼지 성분이 혼합되어 있는 경우 입자 편광소멸도는 감소한다는 사실을 바탕으로 황사 이동경로에 위치한 제주 고산 그리고 일본 오사카의 입자편광소멸도 수치 비교하였다. 고산과 오사카의 데이터는 선행연구(Kim et al., 2016; Lee et al., 2016)에서 황사의 경우로 볼 수 있는 1020 nm 파장에서 입자편광소멸도 0.25 이상 자료만을 추출하여 비교하였다.
본 연구는 처음으로 황사 발원지인 중국 둔황의 선포토미터 관측을 통해 생산된 데이터를 이용하여 입자편광소멸도를 산출하고, 단산란알베도와 입경별 농도간의 상관관계를 비교하였다. 또한, 황사의 이동지점에 위치한 제주 고산과 일본 오사카에 위치한 관측데이터 비교를 수행하였다.
황사의 장거리 이동경로에 중에 선포토미터가 설치된 제주 고산과 일본 오사카의 자료를 분석하였다. 제주 고산은 제주도 서쪽해안 인근에 위치하여 주변에 산업시설과 인접한 인구밀집지역이 없어 자체 발생 오염원이 매우 적은 청정지역으로 한국의 배경대기연구와 장거리 수송(Long range transport) 물질 연구를 위한 중요 관측 지점이다.

성능/효과

에어로졸 광학적 두께가 가장 높은 곳은 발원지인 둔황, 가장 낮은 곳은 오사카로 나타났다. 다만, 이는 특정한 관측 경우만을 표시한 것으로 어떠한 특징을 표시한다고 할 수 없다.
이상의 연구결과는 선포토미터로 산출한 입자편광소멸도를 이용하여 황사를 구분 할 수 있음을 확인하였다. 이는 발원지의 순수 황사의 입자편광소멸도를 산출하고 미세먼지에서 황사분율 변화에 따른 입자편광소멸도 수치를 정량화한다면, 입자편광소멸도로 미세먼지에서 황사의 혼합특성을 산출 할 수 있을 것으로 기대된다.
34 수준을 보였다. 이와 함께 입경별 농도분포와 단산란알베도 분석을 통해 황사의 구성비율이 높을수록 입자편광소멸도가 높은 수치를 보이고, 초미세입지가 혼합되어 황사의 구성비율이 감소할수록 입자편광소멸도 수치는 감소함을 알 수 있었다. 이와 함께, 황사의 장거리 이동 지역에 위치한 고산과 오사카 지역에서 황사에 초미세먼지의 비율이 증가함에 따라 입자편광소멸도가 낮아지는 황사 발원지와 유사한 결과를 확인 할 수 있었다.

후속연구

이상의 연구결과는 선포토미터로 산출한 입자편광소멸도를 이용하여 황사를 구분 할 수 있음을 확인하였다. 이는 발원지의 순수 황사의 입자편광소멸도를 산출하고 미세먼지에서 황사분율 변화에 따른 입자편광소멸도 수치를 정량화한다면, 입자편광소멸도로 미세먼지에서 황사의 혼합특성을 산출 할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	황사란?	황사는 대표적 자연발생 대기 오염원으로 타클라마칸, 고비사막, 황토고원 등 건조한 불모지에서 강한 바람에 의해 대기 중으로 부유하여 나타나는 현상이다. 발원한 황사는 편서풍과 기압배치에 따른 이동형태에 따라 중국본토 뿐만이 아닌 한반도, 일본 등 주변국에 영향을 주고, 태평양을 횡단하여 북미대륙까지 영향을 주는 것으로 잘 알려져 있다(Husar et al.
	입자크기 관련하여 황사의 관측이 어려운 이유는?	하지만 이는 지상에서 관측한 농도에 국한되기 때문에 상층으로 통과하는 경우 정확한 황사 판별이 어렵다. 또한, 황사는 직경이 2.5 μm ~ 10 μm 사이에 조대입자로 구성되어 있지만, 장거리 이동하는 과정과 관측지 주변 환경에 따라 직경 2.5 μm 이하의 초미세먼지(미세입자군: Fine mode Particles)가 혼합되어 관측농도가 증가하기 때문에 황사 관측에 더욱 어려움이 있다.
	국내에서 황사를 판정하는 것이 어려운 이유는?	이에 국내에서는 PM10이 300 μg/m3 이상 시 이동경로를 확인하고, 황사 발원지 발생확인을 병행하여 황사를 판정하고, 300 μg/m3 미만일 경우 하늘상태와 시정 등을 고려한 목측과 이동경로 확인, 황사발원지 발생확인등을 거쳐 황사를 판정한다(KMA, 2007). 하지만 이는 지상에서 관측한 농도에 국한되기 때문에 상층으로 통과하는 경우 정확한 황사 판별이 어렵다. 또한, 황사는 직경이 2.

참고문헌 (11)

O., A. Sinyuk, T. Lapyonok, B.N. Holben, M. Mishchenko, P. Yang, T.F. Eck, H. Volten, O. Munoz, B. Veihelmann, W.J. van der Zande, J.F. Leon, M. Sorokin, and I. Slutsker, 2006. Application of spheroid models to account for aerosol particle nonsphericity in remote sensing of desert dust, Journal of Geophysical Research, 111: D11208.

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Husar, R.B., D.M. Tratt, B.A. Schichtel, S.R. Falke, F. Li, D. Jaffe, S. Gasso, T. Gill, N.S. Laulainen, F. Lu, M.C. Reheis, Y. Chun, D. Westphal, B.N. Holben, C. Gueymard, I. McKendry, N. Kuring, G.C. Feldman, C. McClain, R.J. Frouin, J. Merrill, D. Dubois, F. Vignola, T. Murayama, S. Nickovic, W.E. Wilson, K. Sassen, N. Sugimoto, and W.C. Malm, 2010. Asian dust events of April 1998, Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 106(D16): 18317-18330.
Jaffe, D., J. Snow, O. Cooper, 2003. The 2001 Asian dust events: Transport and impact on surface aerosol concentrations in the US Eos, Transactions American Geophysical Union 84(46): 501-507.
Kim, K.C., S.C. Choi and Y.M. Noh, 2016. Retrieval of Depolarization ratio using Sunphotometer data and Comparison with LIDAR Depolarization ratio, Korean Journal of Remote Sensing, 32(2): 97-104 (in Korean with English abstract).

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KMA(Korea Meteorological Administration) press release, 2007. KMA strengthen a Asian dust special report and decision standard - apply a new standard from February 10, 2007 (in Korean).
Lee, K.H., D. Muller, Y.M. Noh, S.K. Shin, and D.H. Shin, 2010. Depolarization Ratio Retrievals Using AERONET Sun Photometer Data, Journal of the Optical Society of Korea, 14(3): 178-184.

원문보기 상세보기
Muller, D., K.H. Lee, J. Gasteiger, M. Tesche, B. Weinzierl, K. Kandler, T. Muller, C. Toledano, S. Otto, D. Althausen, and A. Ansmann, 2012. Comparison of optical and microphysical properties of pure Saharan mineral dust observed with AERONET Sun photometer, Raman lidar, and in situ instruments during SAMUM 2006, Journal of Geophysical Research, 117: D07211.
Noh, Y.M., D. Muller, H. Lee, K.H. Lee, K. Kim, S. Shin, and Y.J. Kim, 2012. Estimation of radiative forcing by the dust and non-dust content in mixed east Asian pollution plumes on the basis of depolarization ratios measured with lidar, Atmospheric Environment, 61: 221-231.

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Russell, P.B., R.W. Bergstrom, Y. Shinozuka, A.D. Clarke, P.F. DeCarlo, J.L. Jimenez, J.M. Livingston, J. Redemann, O. Dubovik and A. Strawa, 2010. Absorption Angstrom Exponent in AERONET and related data as an indicator of aerosol composition, Atmospheric Chemistry and Physics, 10(3): 1155-1169.

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Shin, S.K., Y.S. Park, B.C. Choi, K.H. Lee, D.S. Shin, Y.J. Kim, and Y.M. Noh, 2014. Retrieval of the variation of optical characteristics of Asian dust plume according to their vertical distribution using multi-wavelength Raman LIDAR system, Korean Journal of Remote Sensing, 30(5): 597-605 (in Korean with English abstract).

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Yu, L., G. Wang, R. Zhang, L. Zhang, Y. Song, B. Wu, X. Li, K. An, and J. Chu, 2013. Characterization and Source Apportionment of PM2.5 in an Urban Environment in Beijing, Aerosol and Air Quality Research, 13(2): 574-583.

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