오염 요인별 지역선정을 통한 대기-기상자료의 미세먼지 인과관계 검증 Verify a Causal Relationship between Fine Dust and Air Condition-Weather Data in Selected Area by Contamination Factors원문보기
산업발달과 지구 온난화로 중국 북동부 지역의 사막화가 가속화 되면서 한반도는 지리적 계절적으로 미세먼지의 영향을 많이 받고 있다. 미세먼지로 인한 피해는 일반인보다 호흡기 질환자나 노인, 영 유아에게 치명적어서 미세먼지 발생 원인과 인과관계 검증을 위한 연구가 필요하다. 본 연구에 이용된 대기환경 자료와 산업지역 자료는 청정지역과 오염지역으로 나누고 오염지역은 산업별로 구분하여 분석하였다. 기상자료를 이용하여 기상 기후의 변화에 따른 미세먼지 변화를 분석하였고 미세먼지 발생요인을 국내의 영향과 국외의 영향으로 구분하여 대기-기상자료의 상관성을 검증하였다. 그리하여 미세먼지($PM_{10}$)와 초미세 먼지($PM_{2.5}$)의 구성 물질별로 계절적, 지리적인 발생형태 분석을 통해 산업, 지형, 인구, 주거 정보를 결합한 미세먼지에 대한 대책 수립의 기준을 제공하고자 한다.
산업발달과 지구 온난화로 중국 북동부 지역의 사막화가 가속화 되면서 한반도는 지리적 계절적으로 미세먼지의 영향을 많이 받고 있다. 미세먼지로 인한 피해는 일반인보다 호흡기 질환자나 노인, 영 유아에게 치명적어서 미세먼지 발생 원인과 인과관계 검증을 위한 연구가 필요하다. 본 연구에 이용된 대기환경 자료와 산업지역 자료는 청정지역과 오염지역으로 나누고 오염지역은 산업별로 구분하여 분석하였다. 기상자료를 이용하여 기상 기후의 변화에 따른 미세먼지 변화를 분석하였고 미세먼지 발생요인을 국내의 영향과 국외의 영향으로 구분하여 대기-기상자료의 상관성을 검증하였다. 그리하여 미세먼지($PM_{10}$)와 초미세 먼지($PM_{2.5}$)의 구성 물질별로 계절적, 지리적인 발생형태 분석을 통해 산업, 지형, 인구, 주거 정보를 결합한 미세먼지에 대한 대책 수립의 기준을 제공하고자 한다.
The gradual desertification in Northeastern China brought about by the industrial development and global warming, has affected the Korean peninsula as evident by the ultrafine dust geographically and seasonally. People with severe respiratory problems, senior citizens and the infants are susceptible...
The gradual desertification in Northeastern China brought about by the industrial development and global warming, has affected the Korean peninsula as evident by the ultrafine dust geographically and seasonally. People with severe respiratory problems, senior citizens and the infants are susceptible to the ill effects of fine dust which could prove fatal to them. Hence, we need to study the root cause of fine dust emergence and the correlation verification between fine dust and its side effects. This study firstly analyzed clean and contaminated areas classified by industrial elements. We utilized air, weather and industrial data in the area. Next, we detected a change of fine dust in terms of weather and climate. We analyzed correlation of air and weather by influence from domestic and neighboring country. The result indicated that China is the culprit of the emergence of fine dust predicament. Consequently, we can prove that fine dust ($PM_{10}$) and ultrafine dust ($PM_{2.5}$) could arise from geographical, seasonal, and pollutant elements. Therefore, we propose the optimum to make countermeasures about fine dust in terms of industry, topography, population and living residence.
The gradual desertification in Northeastern China brought about by the industrial development and global warming, has affected the Korean peninsula as evident by the ultrafine dust geographically and seasonally. People with severe respiratory problems, senior citizens and the infants are susceptible to the ill effects of fine dust which could prove fatal to them. Hence, we need to study the root cause of fine dust emergence and the correlation verification between fine dust and its side effects. This study firstly analyzed clean and contaminated areas classified by industrial elements. We utilized air, weather and industrial data in the area. Next, we detected a change of fine dust in terms of weather and climate. We analyzed correlation of air and weather by influence from domestic and neighboring country. The result indicated that China is the culprit of the emergence of fine dust predicament. Consequently, we can prove that fine dust ($PM_{10}$) and ultrafine dust ($PM_{2.5}$) could arise from geographical, seasonal, and pollutant elements. Therefore, we propose the optimum to make countermeasures about fine dust in terms of industry, topography, population and living residence.
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문제 정의
그리하여 본 연구에서는 미세먼지의 발생에 대해 계절적인 관련성과 산업별 대기 오염군을 나누어 관련성을 비교 · 검증하고자 하였다.
가설 설정
기본지표 분석을 기반으로 비도로 오염군(항구), 제조업연소(산업단지), 도로이용 오염원, 에너지 연소(화력발전소)로 구분하여 오염원인 구역을 4가지로 나눴다. 또한, 실험을 위해서 한반도가 편서풍의 영향을 받는다는 가정으로 내부요인이 인근지역에 영향을 미치는지 알아보기 위해 오염군의 동쪽에 위치한 지역을 영향지역으로 선정하여 서쪽부터 청정지역, 오염지역, 영향지역으로 구분하였다. 그리하여 오염지역을 8개, 청정지역을 8개, 영향지역을 8개로 선정하여 총 24개 지역을 대상으로 선정하였다.
제안 방법
본 논문에서는 2001년부터 2016년까지 관측된 대기환경자료와 기상자료를 이용하여 대기오염 발생유형별로 지역을 선정하여 분석하였다. 15년간 한반도 지역의 대기오염의 변화를 통해 미세먼지의 발생빈도를 파악하였으며 기상자료를 기반으로 기상의 변화에 따른 미세먼지의 변화를 분석하여 미세먼지와 기상자료, 대기환경 자료의 상관성을 검증하였다.
기본지표 분석을 기반으로 비도로 오염군(항구), 제조업연소(산업단지), 도로이용 오염원, 에너지 연소(화력발전소)로 구분하여 오염원인 구역을 4가지로 나눴다. 또한, 실험을 위해서 한반도가 편서풍의 영향을 받는다는 가정으로 내부요인이 인근지역에 영향을 미치는지 알아보기 위해 오염군의 동쪽에 위치한 지역을 영향지역으로 선정하여 서쪽부터 청정지역, 오염지역, 영향지역으로 구분하였다.
대기오염물질의 시간에 따른 변화를 산업, 산업-도로, 항구, 항구-도로, 발전소, 도로, 청정지역으로 구분하여 분석하였다. 산업지역에서는 PM10, PM2.
대상 데이터
그리하여 한반도에 미치는 전반적인 기상패턴을 분석할 필요가 있다. 그리하여 수집된 2001년부터 2016까지의 15년 기상자료를 분석하였다.
또한, 실험을 위해서 한반도가 편서풍의 영향을 받는다는 가정으로 내부요인이 인근지역에 영향을 미치는지 알아보기 위해 오염군의 동쪽에 위치한 지역을 영향지역으로 선정하여 서쪽부터 청정지역, 오염지역, 영향지역으로 구분하였다. 그리하여 오염지역을 8개, 청정지역을 8개, 영향지역을 8개로 선정하여 총 24개 지역을 대상으로 선정하였다.
대기관측소에서 측정된 15년 자료를 기준으로 시간의 흐름에 따른 농도변화를 분석하였다. 미세먼지(PM10)와 초미세먼지(PM2.
본 연구의 중요한 변수를 측정하기 위해 미세먼지 자료와 기상자료를 수집하였다. 미세먼지 공공데이터는 한국 환경공단에서 운영하는 에어코리아[4]에서 수집하였으며 기상자료는 기상청에서 운영하는 기상자료개방포털[5]에서 수집하였다.
본 논문에서는 2001년부터 2016년까지 관측된 대기환경자료와 기상자료를 이용하여 대기오염 발생유형별로 지역을 선정하여 분석하였다. 15년간 한반도 지역의 대기오염의 변화를 통해 미세먼지의 발생빈도를 파악하였으며 기상자료를 기반으로 기상의 변화에 따른 미세먼지의 변화를 분석하여 미세먼지와 기상자료, 대기환경 자료의 상관성을 검증하였다.
본 연구의 중요한 변수를 측정하기 위해 미세먼지 자료와 기상자료를 수집하였다. 미세먼지 공공데이터는 한국 환경공단에서 운영하는 에어코리아[4]에서 수집하였으며 기상자료는 기상청에서 운영하는 기상자료개방포털[5]에서 수집하였다.
수집된 원본데이터의 변수 37개 중, 전처리 과정을 거쳐 대상지역 데이터 298만 건과 관련성이 있는 변수 13개를 선정 분석대상 자료로 선정하였다. 분석요소와 자료형태는 <표 2>와 같다.
연구에 필요한 대상지역을 선정하기 위한 사전작업으로 기본지표를 기준으로 연구대상 지역을 선정하였다. 2015년 1월부터 12월까지의 1년간 데이터를 기준으로 미세먼지(PM10)와 초미세먼지(PM2.
데이터처리
기상자료를 통해서 한반도에 미세먼지가 많이 발생하는 계절은 편서풍이 부는 것을 확인할 수 있었다. 그리하여 바람의 세기에 따라 외부에서 유입되는 양과 내부에서 발생되는 양, 그리고 주변지역에 영향을 미치는 시간을 계산하기 위해 오염지역, 청정지역, 영향지역에 대해 시간차 분석을 하였다.
미세먼지의 상관과계를 구하기 위해 피어슨 상관계수(Pearson correlation)를 사용하였다. 피어슨 상관계수의 크기는 절대적인 것은 아니지만 두 변수간의 상관관계의 크고 작음을 나타낸다
상관성 분석을 위해서 6개의 대기자료 구성변수와 5개의 기상자료변수의 관련성을 검증하였다. 대기환경 자료의 구성물질 CO, NO, SO2는 서로 양의 상관성을 보였으나 O3와는 음의 상관성을 보였다.
성능/효과
그리하여 미세먼지(PM10)는 계절에 따른 풍향에 따라 크게 영향을 받는 것을 알 수 있었으며 초미세먼지(PM2.5)는 국내외의 영향을 같이 받아 계절변화에 따른 특성이 뚜렷하게 나타나지 않았다.
기상자료를 통해서 한반도에 미세먼지가 많이 발생하는 계절은 편서풍이 부는 것을 확인할 수 있었다. 그리하여 바람의 세기에 따라 외부에서 유입되는 양과 내부에서 발생되는 양, 그리고 주변지역에 영향을 미치는 시간을 계산하기 위해 오염지역, 청정지역, 영향지역에 대해 시간차 분석을 하였다.
도로(종로)지역과 항만(인천항)지역은 5월에 편서풍의 영향을 많이 받는 지역이다. 도로지역은 미세먼지와 기온은 음의 상관을 갖는 반면 항만지역은 미세먼지와 기온이 양의 상관을 갖고 있음을 보였다. 또한, 도로는 항만보다 SO2의 영향이 더 크고 항만은 도로보다 온도와 관련성이 더 큰 것으로 나타났다.
제조(대구), 산업(청주)지역의 기상특성은 바람이 약하고 강수량이 적은 지역이며 지형적으로는 분지형태를 띄는 지역이다. 두 곳 모두 대기오염원이 발생하는 지역으로 제조업 지역이 산업지역에 비해 미세머지와 NO2의 상관성이 더 크게 나타났다. 하지만, 산업지역의 미세먼지는 제조업 지역보다 기온의 영향을 더 받고 있음을 알 수 있었다.
대기관측소에서 측정된 15년 자료를 기준으로 시간의 흐름에 따른 농도변화를 분석하였다. 미세먼지(PM10)와 초미세먼지(PM2.5), 이산화황(SO2)은 오전 10에 가장 높은 수치를 보였지만,미세먼지와 이산화황이 안정적인 패턴을 보이는반면 초미세먼지는 불안정한 패턴을 보였다. 오존(O3)은 오전 7시에 가장 낮다가 오후 4시에 가장 높이지고 있어 이산화질소(NO2), 일산화탄소(CO)와 반대되는 패턴을 보여 태양빛에 의한 오존과 결합하는 것을 알 수 있다.
오염원별 미세먼지의 상관성 분석결과 산업 지역에서는 O3와 NO2가 큰 음의 상관이 있음을 보였으며 PM10과 PM2.5의 상관성이 다른 오염군보다 가장 컸다. 항만지역은 CO와 NO2의 상관성이 다른 오염군보다 가장 컸고, 도로지역에서는 SO2와 CO, PM10, PM2.
이를 통해 한반도의 미세먼지는 봄, 겨울철에 청정지역에서 풍속과 풍향, 온도의 변화에 따른 영향을 받고 있음을 알 수 있었으며 오후 4시에 O3이 증가하고 오후 8시에 NO2와 SO2가 증가하여 미세먼지 유발물질이 햇볕의 변화에 따른 온도 변화와 관련이 있음을 확인할 수 있었다. 또한, 백령도 지역에서는 제주도 지역에 비해 화학물질의 농도가 높았을 뿐만 아니라 오염물질의 상관성 분석을 통해 외부의 영향을 크게 받고 있음을 알 수 있었다.
후속연구
이를 통해 오염원의 특성에 따라 배출되는 미세먼지 화합물이 다르게 나타나고 오염원별로는 내 · 외부적의 복합적인 영향을 받고 있음을 알 수 있었다. 미세먼지 취약계층의 건강을 위해 산업단지, 지형, 계절에 따른 풍향변화 등 다각적인 관측으로부터 핵심인자 변수선택법을 통한 다변량 시계열 분석을 이용해 맞춤형 위험예측정보제공 서비스가 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
황사의 크기는?
황사의 크기는 대개 10㎛ 이하의 미세먼지(PM10)로 오존, 미세먼지가 증가하는 경우 천식 발작 위험도가 증가하며[1] 이산화항과 총 부유 분진이 증가하면 소아 천식 발생의 빈도가 높아져[2] 미세먼지에 취약한 호흡기질환자나 노인, 영․유아들을 위한 예방대책이 필요하다는 연구결과들이 발표되었다[3]. 하지만, 위 보고서는 미세먼지에 국한하여 질병과의 관계를 연구한 부분으로 대부분이 화학물질로 이루어진 초미세먼지(PM2.
한반도는 지리적 특성으로 인해 어떤 영향을 받는가?
산업의 발달로 인해 미세먼지는 단순한 흙먼지가 아니라 대기오염물질과 결합한 형태로 나타나고 있어 심각성은 더욱 커지고 있다. 한반도는 편서풍의 영향으로 중국의 산업 활동과 밀접한 관련이 있으며 직․간접적인 영향을 받는 위치에 있다. 또한, 지구온난화로 인해 중국 북동부와 몽고 사막지대의 황사와 결합하는 형태로 미세먼지가 발생하고 있다.
미세먼지가 호흡기 질환을 가진 인간에게 치명적인 이유는?
“황사기간 중 천식환자에서 대기 중 미세먼지가 최대호기 유속과 호흡기 증상에 미치는 영향”에 따르면 미세먼지가 높은 날에는 환자의 최대호기유속이 낮아지는 경향을 보이며 최대호기유속 변화율이 증가하고 야간에는 천식으로 인해 잠을 깨는 횟수가 증가한다고 발표하며 황사기간중에 증가하는 미세먼지 농도는 기관지천식 환자의 호흡기 증상의 악화 및 폐 기능의 저하를 초래할 수 있음을 발표하였다[2]. 또한, 서울대의 수도권 미세먼지 연직분포 및 광학특성 연구에서는 라이다(LIDAR)를 이용하여 에어로졸의 연직분포와 에어로졸 입자의 모양을 분석하는 연구를 수행하였으며[8], 신라대에서는 부산지역 겨울철 고농도 미세먼지 발생일의 기상학적 특성 연구를 통해 자동기상관측 자료를 통해 부산지역의 미세먼지 변화에 대한 연구[9]를 수행하였다.
참고문헌 (9)
주영수, "대기오염과 천식발작의 관련성에 관한 시계열적 연구", 서울대 대학원 박사학위 논문, 1999.
송호인, "서울의 대기오염이 소아 천식환장들의 외래방문 빈도에 미치는 영향", 천식 및 알레르기, 제21권, 제1호, pp.28-39, 2001.
박정웅, "황사기간 중 천식환자에서 대기 중미세먼지가 최대호기 유속과 호흡기 증상에 미치는 영향", 가천의과대학, 2003.
https://www.airkorea.or.kr/index, 2017.
https://data.kma.go.kr/cmmn/main.do, 2017.
이경빈, "서울지역 $PM_{10}$ 중 이온성분의 존재형태 추정", 제37권, 제4호, 2015.
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