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문제 정의
- 따라서 본 연구는 부산지역에서 여름철에 발생한 연무현상과 고농도 미세먼지 사이에 어떤 연관성을 가지고 있는지를 기상자료와 미세먼지 자료를 이용해 체계적으로 분석하였고, 특히 2018년 여름철에 발생한 고농도 미세먼지 발생 사례를 체계적으로 분석하였다. 이러한 여름철 고농도 미세먼지농도에 대한 정량적인 평가는 향후 부산지역 미세먼지의 효율적인 관리와 개선방안 제시에 통찰력을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.
제안 방법
- 부산 지역에서 여름철에 발생한 연무현상과 고농도 미세먼지 사이에 어떤 연관성을 가지고 있는지를 기상자료를 이용해 체계적으로 분석한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본연구지역에서 하계 고농도 미세먼지 농도가 공기궤의 이동과 어떠한 연관성을 가지고 있는가를 조사하기 위하여 미국의 해양기상청(NOAA: National Ocean Atmospheric Administration)에 의해 개발된 HYSPLIT-4 (HYbrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory) 모형을 사용하였다(Draxler and Rolph, 2013). 역궤적의 모사 시간을 48시간으로 하고 6시간 간격으로 하였으며, 공기궤의 착지점의 좌표는 부산지방기상청으로 설정하였으며, 공기덩어리의 이동고도는 500 m와 1,000 m로 하였다. 본 연구에서 사용한 PM10과 PM2.
대상 데이터
- 2015년 1월 1일부터 2018년 12월 31일까지 4년간 부산지역 대기오염자동측정망 21개소(도시지역 19개소, 도로변 2개소)에서 측정된 PM10 과 PM2.5의 일평균 농도를 조사하여 보았다. 먼저 PM10를 보면, 대기환경기준 100 ㎍/m3를 초과한 경우가 2015년 2월 23일의 193.
- 본 연구에서 사용된 자료는 기상자료와 대기질자료로 나눌 수 있다. 기상자료는 부산지방기상청에서 측정한 일기상통계표와 일기도 그리고 NOAA에서 제공하는 backward trajectory와 sounding 곡선을 이용하였다. 본연구지역에서 하계 고농도 미세먼지 농도가 공기궤의 이동과 어떠한 연관성을 가지고 있는가를 조사하기 위하여 미국의 해양기상청(NOAA: National Ocean Atmospheric Administration)에 의해 개발된 HYSPLIT-4 (HYbrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory) 모형을 사용하였다(Draxler and Rolph, 2013).
- 5가 발생하는 사례가 있어, 이에 대한 체계적인 연구가 요구되고 있다. 따라서 부산지역에서 여름철 PM2.5농도가 2일 연속 대기환경기 준치인 50 ㎍/m3를 초과한 사례에 중에서 2018년도에 발생한 두 사례를 대상으로 분석하였다.
- 본 사례는 2018년 6월 7일과 6월 8일 이틀 연속으로 부산지역 21개 지점 일평균 PM 2.5농도가 50 ㎍/m3를 초과하였다. Fig.
- 본 사례는 2018년 7월 19일과 7월 20일 이틀 연속으로 부산지역 21개 지점 일평균 PM2.5농도가 50 ㎍/m3를 초과하였다. Fig.
- 본 사례의 경우, 부산지방은 기상학적으로 북태평양 고기압의 지속적인 영향으로 고온다습하고 안정된 대기 환경에서 전반적으로 풍속이 약하고 주간의 해풍과 야간의 육풍인 국지순환이 반복적으로 발생하였다. 따라서 오염물질이 빠져 나가지 못하는 폐쇄순환이 발생하면서 대기가 정체되고 미세먼지 농도가 상승하였다.
- 본 연구는 여름철을 대상으로 고농도 미세먼지를 고찰한다는 연구취지에 맞게 2일 연속 고농도 PM2.5 를 나타낸 2018년 6월 7일∼8일 과 7월 19일∼20일을 대상으로 사례연구를 시행하였다.
- 본 연구에서 사용된 자료는 기상자료와 대기질자료로 나눌 수 있다. 기상자료는 부산지방기상청에서 측정한 일기상통계표와 일기도 그리고 NOAA에서 제공하는 backward trajectory와 sounding 곡선을 이용하였다.
- 역궤적의 모사 시간을 48시간으로 하고 6시간 간격으로 하였으며, 공기궤의 착지점의 좌표는 부산지방기상청으로 설정하였으며, 공기덩어리의 이동고도는 500 m와 1,000 m로 하였다. 본 연구에서 사용한 PM10과 PM2.5의 농도자료는 2015년 1월 1일부터 2018년 12월 31일까지 최근 4년간 시간별 평균 농도로서 부산광역시 보건환경연구원에서 관리하는 부산지역 21개 자동관측망(도시대기 19개소, 도로변 대기 2개소)의 자료를 사용하였다.
- 부산지방 기상청 일기상통계표에 의하면, 사례일 전날인 7월 18일 1000 LST부터 연무현상이 하루 종일 발생하였으며, 구름하나 없는 맑은 날(운량 0/10)이었다. 사례 첫날인 7월 19일은 0600 LST까지는 박무가 발생하였으며, 그 이후 부터는 자정까지 연무현상이 유지되었고 시정은 10 km 이하로 나빴으나 구름이 없는 쾌청한 날씨를 보였다. 사례 둘째 날인 7월 20일은 새벽부터 2000 LST까지 연무 현상이 지속되었고 구름하나 없는 맑은 날이었다.
- 125 ppm으로 중부권역에서 오존주의보가 발령 되었고 1시간 후에 해제되었다. 사례일 첫날인 7월 19일에도 1100 LST에 동부권역(기장 0.126 ppm)과 남부권 역(좌동 0.122 pmm)에서 오존주의보가 발령되었고, 오후들어 중부권역(명장동 0.130 ppm)에서 1200 LST부터 6시간 동안 오존주의보가 발령되었으며, 남부권역(좌동 0.124 ppm, 대연동 0.122 ppm)은 1400 LST에 발령 되어 2000 LST에 해제되었다. 사례일 둘째날인 7월 20 일 1300과 1400 LST의 부산 지역 21개소 평균 O3농도가 0.
- 5) 2018년 7월 19일∼20일 사례를 보면, 7월 18일 오전부터 연무현상이 하루 종일 발생하였고 맑은 날이었으며, 7월 19일과 7월 20일은 박무와 연무가 발생하였고 시정은 나빴으며, 구름이 없는 쾌청한 날씨이었다. 사례일의 주간에는 남서풍계열의 해풍이 불었고 특히 낮 최고기온이 32℃ 이상을 나타내어 폭염주위보가 발령되었고 열대야 현상이 나타나는 등 고온현상이 발생하였다. 북태평양에서 발달한 고온다습한 고기압이 우리나라 남부 지방에 정체한 상태로 머무르고 있는 양상을 보였고, 48시간의 공기괴는 아주 빠른 시간에 동지나해와 일본 서쪽 해상 그리고 우리나라 남해상을 지나왔으며, 지상에서 550 m 까지 매우 안정한 공기층이 존재하였다.
- 8 ㎍/m3를 비롯하여 17일이 발생하여 2015년부터 2018년까지 4년간 총 58일이 발생하였다. 이중에서 부산지역에서 여름철 PM 10 의 대기환경기준치를 초과한 경우는 단 한 차례도 발생하지 않았으나, PM2.5 의 대기환경기준치를 초과한 경우는 2015년에 5일, 2016년과 2017년에 각각 1일, 2018년에 4일이 발생하여 4년간 총 11일이 발생하였으며, 2일 연속으로 대기환경기준치를 초과한 경우는 2015년 7월 14일과 15일, 2018년 6월 7일과 8일, 그리고 2018년 7월 19일과 20일로 총 3차례 발생하였다. 본 연구는 여름철을 대상으로 고농도 미세먼지를 고찰한다는 연구취지에 맞게 2일 연속 고농도 PM2.
이론/모형
- 기상자료는 부산지방기상청에서 측정한 일기상통계표와 일기도 그리고 NOAA에서 제공하는 backward trajectory와 sounding 곡선을 이용하였다. 본연구지역에서 하계 고농도 미세먼지 농도가 공기궤의 이동과 어떠한 연관성을 가지고 있는가를 조사하기 위하여 미국의 해양기상청(NOAA: National Ocean Atmospheric Administration)에 의해 개발된 HYSPLIT-4 (HYbrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory) 모형을 사용하였다(Draxler and Rolph, 2013). 역궤적의 모사 시간을 48시간으로 하고 6시간 간격으로 하였으며, 공기궤의 착지점의 좌표는 부산지방기상청으로 설정하였으며, 공기덩어리의 이동고도는 500 m와 1,000 m로 하였다.
성능/효과
- 1) 부산지역에서 최근 4년간(2015년∼2018년) 일평균 대기환경기준을 초과한 발생일수는 PM10은 총 24일 이었고, PM2.5는 총 58일이었다.
- 2) 부산지역에서 최근 4년간(2015년∼2018년) 계절별 연무발생일을 보면, 겨울철이 37.6%, 봄철이 27.4%, 가을철이 18.6% 그리고 여름철이 16.4%로서 황사와는 전혀 다른 발생비율 특성을 보였다.
- 3) 부산지역에서 최근 4년간(2015년∼2018년) 일평균 PM10농도가 대기환경기준 100 ㎍/m3를 초과하는 일수를 기상현상별로 보면, 황사발생일이 전체 24일 중 9일(38%)이었고, 황사와 결부된 연무와 박무를 포함하면 16일(67%)이었다.
- 4) 부산지역에서 여름철 PM2.5농도가 2일 연속 대기 환경기준치인 50 ㎍/m3를 초과한 2018년 6월 7일∼8일 사례를 보면, 사례일 전날인 6월 6일 오후부터 박무와 연무가 발생하여 시정이 매우 나빴으며, 사례일인 6월 7일과 8일에도 하루종일 박무와 연무가 발생하였다.
- PM2.5 /PM10농도비를 보면, 고농도 사례일 하루 전부터 0.7이상의 값을 보였고, 특히 6월 6일 2200 LST부터 6월 7일 0700 LST까지는 0.8이상의 상당히 높은 값을 보였다.
- 구덕산 레이더 관측소의 자료와 비교하면 사례일 첫날과 둘째날에 부산지방관측소와 같이 새벽과 오전에 육풍인 북서풍, 주간에는 해풍인 남서풍과 남동풍이 발생하였으 나, 풍속을 비교하면 고산지대인 구덕산레이더관측소는 육풍은 7∼8 ㎧로 강하였고 해풍은 2 ㎧정도 약했다는 것을 알 수 있다.
- 5농도 사례와 기상학적 관련성 부산으로 영향을 미쳤다는 분석도 있다(KMOE, 2018).그리고 단열선도를 보면, 지상에서 550 m(950 hPa) 까지 0.35℃/100 m의 기온 하강율을 나타내어 매우 안정한 공기층이 존재하고, 지상부근의 풍속은 약하고 풍향은 다소 가변적이나 상층으로 갈수록 남서풍 내지 남동풍이 강하게 불고 있는 것을 알 수 있다.
- 순수하게 황사만 발생한 경우가 9일로 전체 24일중 38%로 높았고, 황사현상과 결부된 연무와 박무를 포함하면 16일로 전체의 67%를 차지하였다. 대기환경기 준치를 초과하는 고농도 PM10은 황사발생일과 매우 연관이 높은 것으로 나타났고, 4월에 가장 높은 발생빈도를 나타내었다. 겨울철(12월∼2월)에 7일이 발생하였는데, 이는 Table 2에서와 같이 동계에 많이 발생하는 연무 현상과 관련이 있는 것으로 판단된다.
- 연무만 발생한 경우가 25일(43%)로 가장 높았으며, 연무현상을 동반한 박무, 비, 안개, 황사, 눈 현상을 포함하면 49일로 전체의 84%를 차지하였다. 따라서 대기환경기준치를 초과하는 고농도 PM2.5은 연무발 생일과 매우 연관이 높은 것으로 나타났으며, 특히 연무 발생 빈도가 높은 겨울철에 높았다. 계절별로 보면, 겨울 철이 26일(45%)로 가장 높았고, 다음으로 봄철(28%), 여름철(19%) 순이었다.
- 먼저, Backward trajectory를 보면, 7월 19일 0900 LST에 도달한 공기괴의 48시간의 공기괴는 아주 빠른 시간에 동지나해와 일본 서쪽 해상 그리고 우리나라 남해상을 지나 온 것을 알 수 있다. 따라서 본 사례 기간의 부산지방의 공기괴는 겨울과 봄철의 서쪽에서 장거리 이동해온 것이 아닌 남쪽에서 이동해 것을 알 수 있다. 고온다습한 공기가 지속적으로 우리나라로 유입되어 습도가 높아짐에 따라 박무현상이 발생하였고, 미세먼지 등의 오염 물질 유입으로 연무현상이 연속적으로 발생하였다.
- 이 시간 이후부터 사례일 다음날인 6월 9일 하루 종일 계속해서 북동풍이 4 ㎧ 정도로 불었다. 따라서 본 사례일인 6월 8일과 9일의 새벽은 육풍인 서풍내지 북서풍이 나타났고 주간은 해풍인 남서풍이 발생한 경우로서 해륙풍 순환이 존재하였다. 구덕산 레이더 관측소의 자료와 비교하면 사례일 첫날과 둘째날에 부산지방관측소와 같이 새벽과 오전에 육풍인 북서풍, 주간에는 해풍인 남서풍과 남동풍이 발생하였으 나, 풍속을 비교하면 고산지대인 구덕산레이더관측소는 육풍은 7∼8 ㎧로 강하였고 해풍은 2 ㎧정도 약했다는 것을 알 수 있다.
- 6은 본 연구 사례기간 전·후 하루를 포함한 2018년 7월 18일부터 7월 21일까지 4일간 부산지방기상청 (46 m)과 구덕산레이더관측소(513 m)에서 측정된 기상 요소의 일변화를 나타낸 것이다. 먼저 지상의 부산지방 기상청자료를 보면, 사례일 전날인 7월 18일의 기온과 풍향 그리고 풍속을 보면, 최고기온이 발생한 1100LST(32.3℃)이후로 서북서풍에서 남남서풍으로 풍향이 바뀌었고 2 ㎧전후에서 5 ㎧로 풍속이 증가된 것으로 보아 해륙풍이 발생한 것을 알 수 있다. 사례일 첫날인 7월 19일은 0900 LST부터 1400 LST까지 32℃ 정도의 고온이 발생하였고, 0900 LST경부터 풍향이 서북서풍에서 남남서풍으로 전환되었고 풍속도 서서히 증가한 것을알 수 있다.
- 4는 부산지역에서 고농도 미세먼지가 발생한 2018년 6월 7일 0900 LST의 Backward trajectory와 단열선도(skew T and log P chart)를 나타낸 것이다. 먼저 후방 궤적선을 보면, 48시간 동안 공기괴는 우리나라 남부지방의 지상부근을 통과하여 온 것을 알 수 있고, 이동속도는 매우 느렸다. 특히 1000 m 공기괴는 영남지방에서 48시간 동안 머물러 대기가 매우 정체된 상태인 것을 알 수 있다.
- 8은 부산지역에서 고농도 미세먼지가 발생한 2018년 7월 19일 0900 LST의 Backward trajectory와 단열선도(skew T and log P chart)를 나타낸 것이다. 먼저, Backward trajectory를 보면, 7월 19일 0900 LST에 도달한 공기괴의 48시간의 공기괴는 아주 빠른 시간에 동지나해와 일본 서쪽 해상 그리고 우리나라 남해상을 지나 온 것을 알 수 있다. 따라서 본 사례 기간의 부산지방의 공기괴는 겨울과 봄철의 서쪽에서 장거리 이동해온 것이 아닌 남쪽에서 이동해 것을 알 수 있다.
- 먼저, PM2.5농도를 보면, 고농도 사례일 하루 전인 6월 6일 0500 LST에 최저농도(28.5 ㎍/m3)를 기록한 후 점점 증가하여 1400LST에 최고농도(50.5 ㎍/m3)를 나타내었고 1900 LST 까지 하강하다가 이후 다시 농도가 상승하였다.
- 8이상의 상당히 높은 값을 보였다. 사례 둘째 날인 6월 8일 1000 LST부터 1600 LST까지 일시적으로 0.7이하의 값을 보였으나 이후 고농도 PM2.5가 유지되는 시각까지 높은 비를 나타내었다.따라서 부산지역 여름철 고농도 PM2.
- 4 ㎍/m3)까지 전날과 같은 양상으로 상승과 하강을 보였다. 사례 둘째 날인 7월 20일 1200 LST까지 55 ㎍/m3이상의 고농도가 나타났으며, 그 이후 2400 LST까지 50 ㎍/m3에 가까운 높은 농도가 지속되었다. 사례 다음날인 7월 21일 0100LST 이후 농도는 급격하게 하강하였다.
- 사례 둘째날인 6월 8일은 연무현상이 0900 LST부터 자정까지 발생하였으며, 시정은 6월 7일 보다는 좋은 편이었으며, 구름은 권운이 하루 종일 4/10 정도로 발생하였다. 사례일 다음날인 6월 9일은 연무와 박무현상이 사라지고 시정도 회복되었으며, 권적운이 5/10 정도 발생하였다.
- 122 ppm)은 1400 LST에 발령 되어 2000 LST에 해제되었다. 사례일 둘째날인 7월 20 일 1300과 1400 LST의 부산 지역 21개소 평균 O3농도가 0.08 ppm를 초과하는 농도를 보였다. 이런 오존 고농도는 수일간 지속된 고온 및 대기 정체의 영향으로 오전 부터 광화학반응에 의한 오존이 빠른 속도로 증가하였고, 이에 2차 생성된 먼지가 PM2.
- 3℃)이후로 서북서풍에서 남남서풍으로 풍향이 바뀌었고 2 ㎧전후에서 5 ㎧로 풍속이 증가된 것으로 보아 해륙풍이 발생한 것을 알 수 있다. 사례일 첫날인 7월 19일은 0900 LST부터 1400 LST까지 32℃ 정도의 고온이 발생하였고, 0900 LST경부터 풍향이 서북서풍에서 남남서풍으로 전환되었고 풍속도 서서히 증가한 것을알 수 있다. 이날 야간과 다음날 7월 20일 새벽까지 해풍인 서남서풍이 약하지만 지속되었고 일시적으로 0500∼ 0600 LST경에 정온상태(calm)이었고 이후 해풍인 남남서풍이 1800 LST경까지 유입되었으며, 연무와 박무현상이 발생하였다.
- 를 초과하는 일수를 기상현상별로 보면, 황사발생일이 전체 24일 중 9일(38%)이었고, 황사와 결부된 연무와 박무를 포함하면 16일(67%)이었다. 일평균 PM2.5농도가 대기환경기 준치인 50 ㎍/m3를 초과하는 일수를 기상현상별로 보면, 연무만 발생한 경우가 25일(43%)로 가장 높았으며, 연무현상을 동반한 박무, 비, 안개, 황사, 눈 현상을 포함하면 49일로 전체 58일의 84%를 차지하였다.
- 또한 6월 8일과 9일의 새벽에 육풍인 서풍내지 북서풍이 나타 났고 주간에는 해풍인 남서풍이 발생하여 해륙풍 순환이 존재하였으며, 지상일기도를 보면, 고기압이 우리나라 상공으로 이동하여 영향을 미치고 있었다. 후방 궤적선을 보면, 48시간 동안 공기괴는 우리나라 남부지방의 지표부근을 통과하여 온 것을 알 수 있고, 이동속도가 매우 느려 대기가 매우 정체되었으며, 본 사례의 고농도는 장거리 수송이 아닌 국지적인 영향으로 판단할 수 있었다.
후속연구
- 6) 이러한 여름철 고농도 미세먼지농도에 대한 기상학적인 체계적 평가는 향후 부산지역 미세먼지의 효율적인 관리와 개선방안 제시에 통찰력을 제공할 수 있을 것으로 기대되며, 추후 초미세먼지 중의 성분 분석(이온성문, 탄소성분)을 통해 더욱 더 미세한 분석이 요구된다.
- 본 절에서는 Table 4와 같이 겨울철의 심각한 연무발 생으로 고농도 PM2.5의 발생이 자주 나타나고 있으나, 최근에 여름철의 연무로 고농도 PM2.5가 발생하는 사례가 있어, 이에 대한 체계적인 연구가 요구되고 있다.
- 따라서 본 연구는 부산지역에서 여름철에 발생한 연무현상과 고농도 미세먼지 사이에 어떤 연관성을 가지고 있는지를 기상자료와 미세먼지 자료를 이용해 체계적으로 분석하였고, 특히 2018년 여름철에 발생한 고농도 미세먼지 발생 사례를 체계적으로 분석하였다. 이러한 여름철 고농도 미세먼지농도에 대한 정량적인 평가는 향후 부산지역 미세먼지의 효율적인 관리와 개선방안 제시에 통찰력을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.
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