[논문]남북극 과학기지에서의 에어로졸 광학 깊이 변동성

구자호; 최태진; 조예슬; 이하나; 김재민; 안다현; 김준; 이윤곤

doi:10.11629/jpaar.2017.12.30.141

남북극 과학기지에서의 에어로졸 광학 깊이 변동성
The variation of aerosol optical depth over the polar stations of Korea 원문보기

Particle and aerosol research = 한국입자에어로졸학회지, v.13 no.4, 2017년, pp.141 - 150

구자호 (연세대학교 대기과학과) , 최태진 (극지연구소) , 조예슬 (연세대학교 대기과학과) , 이하나 (연세대학교 대기과학과) , 김재민 (충남대학교 대기과학과) , 안다현 (연세대학교 대기과학과) , 김준 (연세대학교 대기과학과) , 이윤곤 (충남대학교 대기과학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Using the NASA's Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications, version 2 (MERRA-2) reanalysis for aerosol optical depth (AOD) and satellite-observed carbon monoxide (CO) data, we examined the basic pattern of AOD variations over the three polar stations of Korea: Jangbogo and King Sejong stations in the Antarctica, and Dasan station in the Arctic area. AOD values at King Sejong and Dasan station show the maximum peaks in spring, which looks associated with the high amount of atmospheric CO emitted from the natural burning and the biomass burning. Jangbogo station shows the much less AOD compared to other two stations, and seems not strongly affected by the transport of airborne particles generated from mid-latitude regions. All three polar stations show the AOD increasing trend in general, indicating that the polar background air quality becomes polluted.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 아직까지 과학 기지가 설치된 지역 상공의 에어로졸이 어떠한 시간적 변동성을 나타내고 있는지, 장기간 평균적인 특성이 어떻게 나타나는지에 대해 살펴본 연구가 매우 부족한 실정이다. 본 연구에서는 국제적으로 활용도가 높은 미국 항공 우주국(NASA)의 Modern-Era Retrospective analysis for Research and Applications 버전 2(MERRA-2) AOD 자료를 이용하여 북극 다산 과학 기지, 남극 세종 및 장보고 과학 기지 상공에서의 에어로졸 농도의 기본적인 변동성을 살펴보고 이를 일산화탄소(Carbon monoxide, CO) 위성 관측 자료와 비교하여 중위도 지역에서 발생하는 화재/연소 현상의 기여도를 살펴보았다.
본 연구에서는 남극 장보고 및 세종 과학 기지, 북극 다산 기지 상공의 대기 에어로졸 농도 변화를 살펴보기 위해 MERRA-2 재분석 자료의 AOD 값을 분석해보았다. 북극 다산 기지와 남극 세종 과학 기지에서는 AOD의 크기가 봄에 가장 높게 나타나는 특성을 확인할 수 있었다.
이어서 월별 및 계절별 평균 AOD의 변동성에 대해서 살펴보았다. 그림 3a에서 3c까지는 월별MERRA-2 AOD 값을 장보고, 세종, 다산 과학기지에 대해서 비교한 결과를 보이고 있다.
이와 같은 연구들은 현재 남극 기후 변동성을 살펴보는 과정에서도 중요한 정보를 제공해줄 수 있을 것으로 생각된다. 특히 성층권 대기 오존의 복원이 예상되고 있는 현재, 그에 따른 기후 변동성이 극지 대기 조성에 미치는 영향 및 명확히 설명되지 않은 여러 극지 대기 기후의 특성들(예: 서남극과 동남극의 대기 현상 차이)을 살펴보는데 도움이 될 수 있는 정보로서 본 연구의 의미를 생각해볼 수 있을 것이다.

제안 방법

AOD 변화와 일산화탄소의 연관성이 계절적으로 어떻게 나타나는지 살펴보고자 3-4-5월(March-AprilMay, MAM), 6-7-8월(June-July-August, JJA), 9-10-11월(September-October-November, SON), 그리고 12-1-2월(December-January-February, DJF)로 구분하여 분위수를 계산, 비교해보았다 (Fig. 5). 비교 결과 북극 다산 및 남극 세종 과학 기지의 경우는 AOD값과 일산화탄소 크기의 변화 양상이 상당히 유사하게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
이러한 추세 분석을 선형 회귀 분석을 이용해 계절별로 나누어서 살펴보고 그림 8처럼 정리해보았다. 그림 8에서는 AOD 증가 추세가 10-4/년 보다 큰 변화가 존재하는지 여부를 기준으로 하여 증가/감소 추세를 강한 증가(strong increase, SI), 약한 증가(weak increase, WI), 약한 감소 (weak decrease, WD), 강한 감소(strong decrease, SD) 4단계로 구분하여 표시하였다. 흥미롭게도 세 과학기지 상공에서 전반적으로 유사하게 MAM, JJA 시기에 AOD의 강한 감소를, SON, DJF 시기에 AOD의 강한 증가 추세를 주로 보이는 것을 확인할 수 있다.
앞서 언급했듯이 자체적인 오염원이 거의 존재하지 않는 남북극 상공의 대기 에어로졸 농도의 변동성은 낮은 위도 지역에서의 배출량에 크게 영향을 받을 수 있다. 남북극 부근에서 가장 높은 에어로졸을 배출할 수 있는 현상으로 자연 화재 및 생체 연소 과정을 생각할 수 있으므로, 그 과정에서 배출되는 일산화탄소 자료의 월별 특성을 AOD 변동성에 비교하여 분석을 진행하였다 (Fig. 4). 그림 4a, 4b를 보면 남극 장보고 및 세종 과학기지 상공의 일산화탄소 농도는 유사하게 9월에 최댓값, 남반구 여름철에 최솟값을 나타내는 특성을 보이고 있는데 이는 선행연구에서 제시된 남반구 지역 지상관측 일산화탄소 크기의 변동성(Edwards et al.
먼저 기본적으로 남극과 북극 상공 AOD 패턴의 최근 10년 평균을 살펴보았다 (Fig. 2). 남극의 경우(Fig.
7). 에어로졸 농도 장기간 변동성의 분석에서 평균값을 사용할 경우 특징적인 고농도/저농도 사례 또는 높은 오차들이 걸러지지 않고 모두 포함될 수 있기 때문에 중간값(median)과 같은 백분위수(percentile) 통계값을 이용해서 분석하는 것이 보다 더 정확할 수 있다는 최근 연구 결과(Yoon et al., 2016)에 근거하여 본 연구에서도 매년 MERRA-2 AOD의 10th , 50th, 90th 백분위수 값을 선택하여 그 추이를 살펴보는 분석을 진행하였다. 높은 백분위수(90th percentile) 값은 고농도 사례의 변동성을, 낮은 백분위수(10th percentile)값은 배경대기 오염도의 변동성을 살펴볼 수 있는 지표라고 볼 수 있다.
월별, 계절별 변동성 분석에 이어서 AOD값이 극지 기지 상공에서 장기간 어떻게 변해왔는지를 살펴보았다. 최근의 변동성에 중점을 두고자 2000년대 시점을 기준으로(2001년부터 2016년까지) 세 과학기지의 AOD 값에 대한 분석을 진행하였다(Fig.
특히 자연 화재 및 생체 연소 과정에서 배출된 물질들이 극지 대기 환경에 지대한 영향을 주는 것으로 알려져 있다(Law and Stohl, 2007). 이러한 영향력을 살펴보기 위해서 위성으로 관측한 일산화탄소 자료를 AOD와 비교하여 살펴보았다. 일산화탄소의 경우는 일반적으로 대기 중에 4-5개월 정도 체류하는 것으로 알려져 있어서 중위도 지역 배출원의 영향을 살펴보기 좋고, 극지에서 관측에 어려움을 가지는 자외선, 가시광선이 아닌 적외선 원격탐사 방식으로도 산출될 수 있어 자료 확보가 용이하다.
월별, 계절별 변동성 분석에 이어서 AOD값이 극지 기지 상공에서 장기간 어떻게 변해왔는지를 살펴보았다. 최근의 변동성에 중점을 두고자 2000년대 시점을 기준으로(2001년부터 2016년까지) 세 과학기지의 AOD 값에 대한 분석을 진행하였다(Fig. 7). 에어로졸 농도 장기간 변동성의 분석에서 평균값을 사용할 경우 특징적인 고농도/저농도 사례 또는 높은 오차들이 걸러지지 않고 모두 포함될 수 있기 때문에 중간값(median)과 같은 백분위수(percentile) 통계값을 이용해서 분석하는 것이 보다 더 정확할 수 있다는 최근 연구 결과(Yoon et al.

대상 데이터

AOD 자료는 0.5 x 0.625° 격자에 맞춰 제공된 자료를 사용했으며, 매일 0시부터 3시간 간격으로 산출되고 있는 자료를 일 평균하여 사용하였다.
일산화탄소의 경우는 일반적으로 대기 중에 4-5개월 정도 체류하는 것으로 알려져 있어서 중위도 지역 배출원의 영향을 살펴보기 좋고, 극지에서 관측에 어려움을 가지는 자외선, 가시광선이 아닌 적외선 원격탐사 방식으로도 산출될 수 있어 자료 확보가 용이하다. 본 연구에서는 2002년 발사된 NASA Aura 위성에 탑재된 Atmospheric Infrared Sounder (AIRS) 기기 관측으로 산출된 일산화탄소 자료(Worden et al., 2013)를 AOD와 비교 분석에 사용하였다. 일산화탄소 자료는 AIRS 관측에서 4.
625° 격자에 맞춰 제공된 자료를 사용했으며, 매일 0시부터 3시간 간격으로 산출되고 있는 자료를 일 평균하여 사용하였다. 본 연구에서는 이어서 언급할 일산화탄소 자료와 비교하여 2000년대의 극지역 에어로졸의 특성을 살펴보기 위해 2001년부터 2016년까지의 자료를 이용하여 분석을 진행하였다.
이 세 지역의 에어로졸의 양적 변화를 살펴보기 위해 MERRA-2 AOD 자료를 이용하였다. MERRA-2 재분석 AOD 자료는 NASA에서 보유한 여러 기상관측 자료, 에어로졸 관련 지상 및 위성 관측 자료, Goddard Earth Observing System 모델 버전5(GEOS-5) 자료 등을 근간으로 자료 동화 과정을 거쳐 생성된 자료이다(Randles et al.
일산화탄소 자료는 AIRS 관측에서 4.58–4.50 μm(2183–2220 cm-1) 채널을 이용하여 산출된다.

성능/효과

장보고 기지에 비해 세종 과학 기지 상공의 AOD는 약 두 배 정도 높은 값을 보이고 있다. 가장 높은 AOD 값을 나타내는 시점은 10월로 역시 장보고 기지와 차이점을 보이는 반면 최소값은 비슷하게 남반구 겨울에 해당하는 4월에서 7월까지 나타나고 있음을 확인할 수 있다. 또 하나 장보고 기지와의 큰 차이는 매월 AOD의 표준편차가 높게 나타나고 있다는 점인데, 이를 통해 장보고 기지의 에어로졸농도 변화는 거의 일정하게 유지되는 반면 상대적으로 저위도에 위치한 세종 기지에서는 외부 요인에 따라 AOD의 변동성이 좀 더 높게 나타날 수 있음을 생각해볼 수 있다.
남극 기지 상공보다는 북극 다산 기지 상공에서 증가하는 트렌드가 조금 더 일관적으로 잘 나타나는 것을 확인할 수 있는데, 10th, 50th, 90th percentile AOD가 모두 증가하는 특성으로 보아 고농도 에어로졸의 배출이 높은 상황이 좀 더 빈번하게 발생하면서 전체 배경대기 오염농도의 상승을 이끌고 있는 것으로 생각할 수 있다. 다만 최근 북반구에서의 일산화탄소 배출량은 꾸준한 감소 추이를 보이기 때문에(Worden et al.
5). 비교 결과 북극 다산 및 남극 세종 과학 기지의 경우는 AOD값과 일산화탄소 크기의 변화 양상이 상당히 유사하게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 두 기지 모두 AOD와 일산화탄소의 가장 높은 수치를 봄(북반구에서는 MAM, 남반구에서는 SON)에 공통적으로 보이고 있음이 흥미로운 부분인데 생체연소에 의한 블랙카본 배출량이 봄에 높게 나타나는 경향이 있다는 선행연구(Bond et al.
14°E)가 건설되어 새롭게 극지 관측 활동을 수행 중에 있다. 세종 기지와 장보고 기지의 위치를 통해 두 관측소에서의 연구 결과를 이용하면 남극의 서쪽과 동쪽의 특성을 비교 분석할 수 있음을 엿볼 수 있다. 북극 다산 과학 기지(78.
최근 극지 대기 에어로졸 농도의 변화를 살펴보기 위해 2001년부터 최근까지의 AOD 변동성을 살펴보았고 세 관측소에서 모두 점진적인 AOD 증가 추세를 발견할 수 있었다. 다만 계절별 추세 분석 결과 AOD 및 일산화탄소가 높게 나타나는 계절이 아닌 시기에 오히려 AOD가 크게 증가하는 경향을 확인할 수 있었기에 화재/연소로 인해 배출되는 물질 이외의 다른 대기 입자 배출원을(예컨대 산업 현장 및 인위적인 활동에 의한 배출) 향후 추가 분석을 통해 생각해볼 필요가 있을 것으로 보인다.
그림 8에서는 AOD 증가 추세가 10-4/년 보다 큰 변화가 존재하는지 여부를 기준으로 하여 증가/감소 추세를 강한 증가(strong increase, SI), 약한 증가(weak increase, WI), 약한 감소 (weak decrease, WD), 강한 감소(strong decrease, SD) 4단계로 구분하여 표시하였다. 흥미롭게도 세 과학기지 상공에서 전반적으로 유사하게 MAM, JJA 시기에 AOD의 강한 감소를, SON, DJF 시기에 AOD의 강한 증가 추세를 주로 보이는 것을 확인할 수 있다. 남극 장보고 기지에서는 DJF 시기에 강한 증가, MAM 시기에 강한 감소가 나타나고 나머지 시기에는 크게 특별한 추세가 나타나지 않는 편이다.

후속연구

최근 극지 대기 에어로졸 농도의 변화를 살펴보기 위해 2001년부터 최근까지의 AOD 변동성을 살펴보았고 세 관측소에서 모두 점진적인 AOD 증가 추세를 발견할 수 있었다. 다만 계절별 추세 분석 결과 AOD 및 일산화탄소가 높게 나타나는 계절이 아닌 시기에 오히려 AOD가 크게 증가하는 경향을 확인할 수 있었기에 화재/연소로 인해 배출되는 물질 이외의 다른 대기 입자 배출원을(예컨대 산업 현장 및 인위적인 활동에 의한 배출) 향후 추가 분석을 통해 생각해볼 필요가 있을 것으로 보인다. 이 과정에서 특히 생체연소 과정과 연관성이 큰 블랙카본 및 갈색카본(brown carbon)과 같은 입자상 물질과 메탄올(CH₃OH) 및 포름알데히드(CH₂O) 같은 탄화수소(hydrocarbon) 계열 기체상 물질의 관측이 AOD 변화량 이해에 도움이 될 것으로 보인다.
다만 계절별 추세 분석 결과 AOD 및 일산화탄소가 높게 나타나는 계절이 아닌 시기에 오히려 AOD가 크게 증가하는 경향을 확인할 수 있었기에 화재/연소로 인해 배출되는 물질 이외의 다른 대기 입자 배출원을(예컨대 산업 현장 및 인위적인 활동에 의한 배출) 향후 추가 분석을 통해 생각해볼 필요가 있을 것으로 보인다. 이 과정에서 특히 생체연소 과정과 연관성이 큰 블랙카본 및 갈색카본(brown carbon)과 같은 입자상 물질과 메탄올(CH₃OH) 및 포름알데히드(CH₂O) 같은 탄화수소(hydrocarbon) 계열 기체상 물질의 관측이 AOD 변화량 이해에 도움이 될 것으로 보인다. 이와 같은 연구들은 현재 남극 기후 변동성을 살펴보는 과정에서도 중요한 정보를 제공해줄 수 있을 것으로 생각된다.
AOD가 낮은 SON 시기에 강한 증가 추세를 보이는 것을 감안하면 인위적 활동의 증가에 의한 배경대기 에어로졸 오염도의 증가라는 측면을 고려해야 할 것으로 보인다. 향후 추가 연구를 통해 관련 영향 인자를 분석해야 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	북극 및 남극의 대기 에어로졸 오염의 정도를 모니터링 하는 과정에서 가장 어려운 점은 무엇인가?	북극 및 남극의 대기 에어로졸 오염의 정도를 모니터링 하는 과정에서 가장 어려운 부분은 혹독한 기상 조건 및 고립된 지역적 특성에 의해 지상에서 상시 관측을 운용하기 쉽지 않다는 점에 있다. 실제로 극지 에어로졸 대다수의 관측들이 집중 관측 캠페인을 통해서 이루어지고 있는 실정이기에 장기적인 특성을 살펴보는 일이 쉽지 않은 측면이 있다.
	MERRA-2 재분석 자료의 AOD 값은 남극과 북극에 설치된 기지에서 계절별로 어떻게 다르게 측정되는가?	본 연구에서는 남극 장보고 및 세종 과학 기지, 북극 다산 기지 상공의 대기 에어로졸 농도 변화를 살펴보기 위해 MERRA-2 재분석 자료의 AOD 값을 분석해보았다. 북극 다산 기지와 남극 세종 과학 기지에서는 AOD의 크기가 봄에 가장 높게 나타나는 특성을 확인할 수 있었다. 반면 남극 장보고 기지상공 AOD는 다른 두 지역보다 훨씬 더 낮게 나타났으며 남반구 여름 시기에 가장 높은 값을 나타내는 차이점을 보였다. 장보고 기지에서 다른 두 기지에 비해 AOD 월별 변동성 작게 나타나는 편인데 흔히 월별 변동성에 영향을 미치는 대규모 대기 순환 및 대기 광화학 작용의 강도가 어느 정도 중위도의 영향 범위에 있는 극지 지역과 달리 장보고 기지와 같이 고립된 지역에서는 큰 영향력을 발휘하지 못하기 때문인 것으로 보인다.
	MERRA-2 재분석 AOD 자료란 무엇인가?	이 세 지역의 에어로졸의 양적 변화를 살펴보기 위해 MERRA-2 AOD 자료를 이용하였다. MERRA-2 재분석 AOD 자료는 NASA에서 보유한 여러 기상관측 자료, 에어로졸 관련 지상 및 위성 관측 자료, Goddard Earth Observing System 모델 버전5(GEOS-5) 자료 등을 근간으로 자료 동화 과정을 거쳐 생성된 자료이다(Randles et al., 2017).

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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