[논문]한반도 도서 지역 대기질 영향요인에 관한 연구 -울릉도, 제주도, 백령도 등을 중심으로

황규원; 김동연; 진세준; 김임현

doi:10.5762/kais.2020.21.11.814

한반도 도서 지역 대기질 영향요인에 관한 연구 -울릉도, 제주도, 백령도 등을 중심으로
A Study on the Factors Influencing Air Pollutions in the Islands of Korean Peninsula: Focusing on the Case of Ulleung, Jeju, and Baengnyong Island 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.11, 2020년, pp.814 - 824

황규원 (한국해양과학기술원 해양정책연구소) , 김동연 (한국화학연구원 환경자원연구센터) , 진세준 (한국해양과학기술원 해양정책연구소) , 김임현 (대구대학교 회계학과)

초록
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최근 미세먼지, O₃ 등의 대기오염물질에 대한 국민 관심이 증대되고, 대기질 개선을 위한 정부의 노력이 지속되고 있다. 특히 대기오염물질로 인한 경제적 피해와 국민 건강 위협이 증대되고 있는 실정이다. 본 연구는 국가배경농도 측정 지점이 위치한 울릉도, 제주도, 백령도 3개의 도서 지역을 대상으로 청정 지역의 대기오염도와 기상조건을 분석하여, 각 지역의 2차 대기오염물질 기여도를 평가하고 지역 간 차이를 비교하였다. SO₂, NO₂, CO, O₃, PM₁₀, PM_2.5 등 대기오염물질의 1시간 평균농도와 동일 시간대 풍속, 강수량, 일조시간 등의 기상조건을 활용하였다. 연구방법은 지역별 대기오염물질과 기상조건 간의 상관관계를 분석하고, SO₂, NO₂, CO 등 1차 생성물질을 독립변수로, PM₁₀, PM_2.5, O₃ 등 1차 생성물질이 포함된 2차 생성물질을 종속변수로 설정하였다. 국내외 선행연구 분석을 통해 대기질 영향요인을 탐색하고, 도서 지역의 기상조건을 통제하여 회귀분석을 수행함으로써 지역별 특성을 파악하였다. 종합하면 도서 지역의 대기질 측면에서 지역별 주요 영향요인과 기여도가 상이하여 오염발생 원인과 영향에 대한 지속적인 모니터링이 필요하다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, public interest in air pollutants has increased, and the Korean government and local governments have attempted to improve air quality. This study examined the secondary air pollutant contribution in Ulleung Island, Jeju Island, and Baengnyeong Island and compared the differences between them by analyzing the air pollution level and weather conditions in these regions. The weather conditions of the island regions, such as wind speed, precipitation, and sunshine duration, and the average concentration of air pollutants, such as SO2, NO2, CO, O3, PM10, PM2.5, were examined. The correlation coefficient between air quality factors of each island region and weather conditions was calculated. Regression analysis was conducted by setting primary air pollutants, SO2, NO2, and CO as independent variables, and secondary air pollutants, O3, PM10, and PM2.5 as dependent variables to identify the regional contribution and impact. Therefore, the government and local governments should establish air quality management for each island region.

주제어

표/그림 (3)

표 Table 1. Result of descriptive statistics in island region
표 Table 2. Result of each regional correlation coefficient
표 Table 3. Regression of regional secondary air pollutants by region

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 한반도 주변 울릉도, 제주도, 백령도 등의 도서 지역 대기오염도와 기상조건을 분석하여, 각 도서 지역 간 차이를 비교함으로써 2차 대기오염물질 기여도를 평가하는 연구이다. 연구 기간은 2015년부터 2018년까지 최근 4년간 1시간 평균 농도와 기상조건을 활용하여 상관관계와 회귀분석을 수행하였다.
본 연구의 목적은 대기오염물질로 인해 국가 경제와 국민 건강이 위협 받고 있는 실정에서, 한반도 주변 도서지역의 대기질 영향요인을 탐색하고, 지역별 대기오염물질 생성의 기여도를 평가하는 데 있다. 연구 대상은 국가배경농도측정소가 운영 중인 울릉도, 제주도, 백령도 등이며, 지리적으로 동해권, 남해권, 서해권 등에 위치하고 있다.

가설 설정

5 등을 종속변수로 가정하였다. 다만 CO는 2차 생성반응의 전구물질은 아니지만 영향요인으로 가정하여 독립변수에 포함했다. 앞서 4.
1622°N 등에 위치하고 있다. 다만 대기오염물질 측정 위치와 기상조건 측정 위치가 상이하지만, 같은 도서 지역 내에 위치하여 동일 지점의 측정값으로 가정하였다.
연구 기간은 2015년부터 2018년까지 최근 4년간 1시간 평균 농도와 기상조건을 활용하여 상관관계와 회귀분석을 수행하였다. 또한 연구 대상지역은 간접 영향권으로 가정하였으며, 특히 2차 오염물질의 경우, 자체 발생이 아닌 외부 오염원 기인 농도로 가정하여 영향을 판단하였다.
1628°N 등에 위치하고 있다. 또한 측정 위치가 지표면과 근접하여 국지적인 한계가 존재하지만, 측정 지점의 일반적인 기상상태로 가정하였다.

제안 방법

회귀분석 추론이론은 앞서 언급한 Kuo 외[5], 박연희 외[38], 산업연구원[39], 이찬주·홍민선[40], Wang 외[43] 등의 선행연구와 같이 가설을 설정하였다. SO₂, NO₂, CO 등의 1차 대기오염물질을 독립변수로 설정하고, O₃, PM₁₀, PM_2.5 등은 2차 생성되거나 1차 발생원이 포함되어 종속변수로 설정하였으며, 산출식은 아래와 같다[39].
국내외 선행연구 분석을 통해 연구 대상 지역의 대기질 분석 결과와 영향요인 탐색결과를 고려하여, 도서 지역의 특성을 파악하고, 대기질 영향요인을 도출하였다. 특히 도서 지역의 기상조건을 고려하여 1차 대기오염물질과 2차 생성오염물질에 대한 통계적 분석을 수행하였다.
기술분석 결과 3.1에서 언급한 바와 같이 지역별 대기질이 상이하였으며, 이에 영향요인을 탐색하고자 대기오염물질과 기상조건 간의 상관관계 분석을 수행하여 변화 정도와 방향을 추정하였다. 모집단은 SO₂, NO₂, CO, O₃, PM₁₀, PM_2.
(6)과 같이 생성된 NO 는 광화학 반응에 의해 O₃로 생성된다. 다만 본 연구에서는 가역반응을 유사정류근사법에 적용하여 NO₂ 농도와 비례관계로 정의하였다.
1에서 언급한 바와 같이 지역별 대기질이 상이하였으며, 이에 영향요인을 탐색하고자 대기오염물질과 기상조건 간의 상관관계 분석을 수행하여 변화 정도와 방향을 추정하였다. 모집단은 SO₂, NO₂, CO, O₃, PM₁₀, PM_2.5, PM_2.5/PM₁₀, PM₁₀-PM_2.5 등의 물질과 계절, 기온, 강수량, 풍속, 풍향 등의 기상조건으로 설정하였다.
는 모집단 Y의 표준편차이다. 모집단은 지역별 SO₂, NO₂, CO, O₃, PM₁₀, PM_2.5 등의 대기오염물질과 계절, 기온, 강수량, 풍속, 풍향, 일조시간 등의 기상조건으로 설정하였다. 특히 입자상 물질의 경우, 조대입자(PM₁₀-PM_2.
본 연구에서 앞서 언급한 국내외 선행연구에서 수행한 상관관계와 회귀분석 방법을 검토하여 대기질 영향요인을 1차 및 2차 대기오염물질과 기상조건으로 설정하였다. 특히 선행연구의 추측분석 방법에서 추가로 일사시간, 강수량, 적설량, 대기정체 등의 현상을 지시자 변수로 설정하여 외부 영향요인을 통제하여 분석하였다.
상관관계 분석이론은 설정된 변수가 증가하거나 감소할 때 다른 변수의 변화 정도와 방향을 추정하는 통계적 분석법이다. 본 연구에서는 Nguyen 외[6], 홍상범 외[26], 공부주 외[33], 유재연 외[35], 충남연구원[36], Xie 외[42], Tsai[44], Yu and Chang[45] 등과 같이 1차 오염물질, 2차 오염물질, 기상조건 간의 상관관계를 분석하였다. 2개의 변수 간 증감이 일치하면 상관계수가 양의 값을 갖고, 변수 간 증감이 반대가 되면 음의 상관관계를 갖으며, 산출식은 아래와 같다.
본 연구에서는 기상조건 중 일조 유무, 강수 및 적설 현상, 풍속 2m/s 기준으로 대기 정체 현상 등을 지시자 변수로 통제하였다. 또한 자기상관 통제를 위해 PM₁₀-PM_2.
앞서 분석한 선행연구의 대기질 영향요인을 탐색하고, 본 연구에서 기상조건을 통제하여 2차 대기오염물질 기여도를 평가함으로써 도서 지역의 대기질 특성을 확인하였다. 다만 연구 한계로 측정 지점의 주변 환경과 위치에 따른 영향과 발생원으로부터 오염물질이 이동과정 중 발생되는 소멸과정을 고려하지 못했다.
울릉도, 제주도, 백령도 등의 도서 지역별 일사시간, 강수량, 적설량, 풍속 등의 기상조건을 요인으로 설정하였으며, 강수 현상으로 인한 대기세정 작용 영향을 사전에 방지하기 위해 강수량을 지시자 변수로 통제하였다. 상관관계와 회귀분석은 Stata 통계 패키지(StataCorp LLC, 2018, SE/14)를 활용하여 수행하였다.
특히 도서 지역의 기상조건을 고려하여 1차 대기오염물질과 2차 생성오염물질에 대한 통계적 분석을 수행하였다. 이를 통해 대기환경 빅데이터를 활용한 지역별 대기질 기여도를 비교분석하여 대기환경 특성을 파악하였다.
지역별 2015년부터 2018년까지 최근 4년간 대기오염물질 농도를 대상으로 기술통계를 수행하여, 오염물질별 수준과 변동을 분석하였다.
지역별 2차 생성 전구물질, 1차 오염물질과 2차 오염 물질 간 기여도 평가를 위해 SO₂, NO₂, CO 등을 독립변수로, O₃, PM₁₀, PM_2.5 등을 종속변수로 가정하였다. 다만 CO는 2차 생성반응의 전구물질은 아니지만 영향요인으로 가정하여 독립변수에 포함했다.
국내외 선행연구 분석을 통해 연구 대상 지역의 대기질 분석 결과와 영향요인 탐색결과를 고려하여, 도서 지역의 특성을 파악하고, 대기질 영향요인을 도출하였다. 특히 도서 지역의 기상조건을 고려하여 1차 대기오염물질과 2차 생성오염물질에 대한 통계적 분석을 수행하였다. 이를 통해 대기환경 빅데이터를 활용한 지역별 대기질 기여도를 비교분석하여 대기환경 특성을 파악하였다.
본 연구에서 앞서 언급한 국내외 선행연구에서 수행한 상관관계와 회귀분석 방법을 검토하여 대기질 영향요인을 1차 및 2차 대기오염물질과 기상조건으로 설정하였다. 특히 선행연구의 추측분석 방법에서 추가로 일사시간, 강수량, 적설량, 대기정체 등의 현상을 지시자 변수로 설정하여 외부 영향요인을 통제하여 분석하였다.

대상 데이터

PM10-PM2.5 간에 제주 > 백령 > 울릉 등으로 분석되었다.
기상조건은 기상청 측정 데이터를 활용하였으며, 연구 대상 지역에 위치한 국가기후데이터센터 종관기상관측 (ASOS)의 일사시간, 강수량, 적설량, 풍속 등의 1시간 평균 데이터를 이용하였다. 강수량은 0.
대기오염물질 농도는 환경부 국가배경농도 측정항목인 SO₂, CO, O₃, NO₂, PM₁₀, PM_2.5 등의 1시간 유효자료 처리비율 75% 이상 최종확정 자료를 활용하였다. 일부 동일 시간대의 결측치가 있는 경우와 PM_2.
본 연구의 목적은 대기오염물질로 인해 국가 경제와 국민 건강이 위협 받고 있는 실정에서, 한반도 주변 도서지역의 대기질 영향요인을 탐색하고, 지역별 대기오염물질 생성의 기여도를 평가하는 데 있다. 연구 대상은 국가배경농도측정소가 운영 중인 울릉도, 제주도, 백령도 등이며, 지리적으로 동해권, 남해권, 서해권 등에 위치하고 있다.
연구 대상지역은 국가배경농도측정망이 위치한 울릉, 제주, 백령 등이며, 이들 지역은 환경부에서 국가적인 배경농도를 파악하고, 국내외 오염물질 유입 유출 등을 파악하기 위해 운영 중이다. 이들 지역의 경우, 발전시설 등과 같이 대규모 1차 오염원이 거의 없는 지역으로 대기질 분석 측면에서 발생원이 아닌 영향권으로 판단할 수 있다[38,46].
연구기간은 환경부의 초미세먼지 예보가 시작된 2015년 1월 1일부터 2018년 12월 31일까지 최근 4년간 1시간 평균 측정값을 대상으로 분석하였다.
측정 지점은 백령도 37.9647°E, 124.6340°N, 울릉도 37.5223°E, 130.7967°N, 제주도 33.2925°E, 126.1622°N 등에 위치하고 있다.

데이터처리

본 연구에서는 기상조건 중 일조 유무, 강수 및 적설 현상, 풍속 2m/s 기준으로 대기 정체 현상 등을 지시자 변수로 통제하였다. 또한 자기상관 통제를 위해 PM₁₀-PM_2.5, PM_2.5/PM₁₀ 요인을 제외하여 회귀분석을 수행하였다.
울릉도, 제주도, 백령도 등의 도서 지역별 일사시간, 강수량, 적설량, 풍속 등의 기상조건을 요인으로 설정하였으며, 강수 현상으로 인한 대기세정 작용 영향을 사전에 방지하기 위해 강수량을 지시자 변수로 통제하였다. 상관관계와 회귀분석은 Stata 통계 패키지(StataCorp LLC, 2018, SE/14)를 활용하여 수행하였다.
본 연구는 한반도 주변 울릉도, 제주도, 백령도 등의 도서 지역 대기오염도와 기상조건을 분석하여, 각 도서 지역 간 차이를 비교함으로써 2차 대기오염물질 기여도를 평가하는 연구이다. 연구 기간은 2015년부터 2018년까지 최근 4년간 1시간 평균 농도와 기상조건을 활용하여 상관관계와 회귀분석을 수행하였다. 또한 연구 대상지역은 간접 영향권으로 가정하였으며, 특히 2차 오염물질의 경우, 자체 발생이 아닌 외부 오염원 기인 농도로 가정하여 영향을 판단하였다.

성능/효과

2차 생성물질과 전구물질 간의 상관관계 분석 결과, SO2를 중심으로 O3, PM2.5/PM10 간에는 울릉 > 제주 >백령, PM10, PM2.5, PM10-PM2.5 간에 백령 > 울릉 > 제주 등의 순으로 분석되었다.
2차 오염물질별로 비교한 결과, 울릉 지역의 경우, O3농도는 SO2 > NO2 > CO 등의 순으로 영향을 받고 있으며, PM10 및 PM2.5 농도는 SO2 > CO > NO2 등의 순으로 결정되었다.
NO2를 중심으로 O3 간에는 울릉 > 제주 > 백령 등의 순이며, Tsai[44]와 유사하게 PM10, PM2.5, PM2.5/PM10 등 입자상 물질 간의 높은 상관관계를 보였으며, 백령 > 제주 > 울릉 등의 순이다.
PM10의 경우, 제주와 울릉에서 PM10와 풍향 간에 양의 상관관계(0.1330, 0.1119)를 보였고, 반대로 울릉에서 계절과 PM10 간 상관계수가 –0.1944로 음의 상관성을 보였다.
결론적으로 울릉의 경우, SO₂, NO₂ 등 전구물질의 2차 생성반응에 의한 영향이 대기환경에 주된 기여요인이며, 제주의 경우 외부 유입에 기인한 2차 오염물질이 높은 기여도를 보이고, 백령의 경우, 외부 유입과 2차 생성 반응에 의한 기여가 높게 평가되었다.
상관관계 분석결과를 보면, 첫째, 물질별로 정도의 차이는 존재하지만 1차 오염물질과 2차 생성물질 간의 양의 상관관계를 보여, 국내외 선행연구와 유사하게 전구물질의 광화학 반응과 산화·환원 반응에 의한 생성으로 판단된다[18,19,44]. 둘째, 지역별로 대기오염물질 간의 상관관계의 차이가 나타났으며, 앞서 기술통계 결과와 유사 하게 지리적 위치에 따른 주변 오염 발생원의 이동과 생성의 차이가 기인했다[33,37]. 셋째, 기상조건과 대기오염물질 간의 상관관계는 일부 지역에서 통계적인 유의미한 결과를 얻었지만, 전반적으로 뚜렷한 차이를 확인하지 못했다.
변동계수는 울릉에서 PM10 > PM2.5 > NO2 등의 순으로 입자상 물질의 변동계수가 높았으며, 제주에서 SO2 > PM2.5 > PM10 > NO2 등의 순이고, 백령의 경우, PM10 > PM2.5 > NO2 등으로 분석되었다.
상관관계 분석결과를 보면, 첫째, 물질별로 정도의 차이는 존재하지만 1차 오염물질과 2차 생성물질 간의 양의 상관관계를 보여, 국내외 선행연구와 유사하게 전구물질의 광화학 반응과 산화·환원 반응에 의한 생성으로 판단된다[18,19,44].
특히 백령 지역은 선행연구의 역궤적 분석결과와 유사하게 수도권 육상 오염물질과 중국 등 국외 오염원의 영향이 기인하였다[31-34]. 셋째, 모든 지역에서 O₃을 제외한 2차 오염물질의 농도 변화가 높게 나타나, 외부에서 발생된 대기오염물질이 장거리 이동하여 2차 생성반응 및 유입에 의한 영향이 지배되었다고 추정된다[27,28,37,43].
제주 지역의 경우, NO2에 의한 O3, 일사시간에 의한 PM10 간에 유의미한 검정통계 량을 보이지 않았으며, CO에 의한 O3, PM10, PM2.5 농도의 증가에 기여도(β=0.3411, 0.4468, 0.6067)가 높았으며, 기상조건으로 강수, 적설, 대기 정체 현상이 약한 음의 영향력을 보였다.
지역별 분석결과를 구분하면, 울릉 지역의 경우, SO₂농도가 상대적으로 2차 생성오염물질 간에 유의미한 양의 상관관계를 보였다. 제주 지역의 경우, CO 농도가 O₃, PM₁₀, PM_2.
지역별 회귀분석 결과, 울릉 지역의 경우, 모든 변수들이 유의미한 검정통계량(t)을 갖았다. SO₂가 상대적으로 O₃, PM₁₀, PM_2.

후속연구

셋째, 기상조건과 대기오염물질 간의 상관관계는 일부 지역에서 통계적인 유의미한 결과를 얻었지만, 전반적으로 뚜렷한 차이를 확인하지 못했다. 기상현상의 복잡한 작용과 국지적 기상조건의 한계로 향후 고도별로 세분화된 분석이 필요한 것으로 사료된다.
앞서 분석한 선행연구의 대기질 영향요인을 탐색하고, 본 연구에서 기상조건을 통제하여 2차 대기오염물질 기여도를 평가함으로써 도서 지역의 대기질 특성을 확인하였다. 다만 연구 한계로 측정 지점의 주변 환경과 위치에 따른 영향과 발생원으로부터 오염물질이 이동과정 중 발생되는 소멸과정을 고려하지 못했다. 또한 오염발생 추정 지역의 오염도를 반영하지 않고 기여도를 판단한 한계가 존재한다.
마지막으로, 강수, 기온, 풍향, 대기 정체 등 국지적 기상조건이 홍민선 외[31]과 같이 기인하여 지역별 대기질에 영향을 미쳤다. 다만 통계적 분석 한계로 대기오염 요인을 명확하게 규명하기 위해 인위적 기원의 입자상 물질 이온성분과 연구 대상지역 주변 오염원에 대한 고려가 필요하다고 판단된다.
5의 경우, 백령 > 제주 > 울릉 등의 순이다. 또한 2차 생성물질은 지역 간 차이가 크지 않아 결정요인을 확인할 필요가 있다. 변동계수는 울릉에서 PM₁₀ > PM_2.
둘째, 지역별로 대기오염물질 간의 상관관계의 차이가 나타났으며, 앞서 기술통계 결과와 유사 하게 지리적 위치에 따른 주변 오염 발생원의 이동과 생성의 차이가 기인했다[33,37]. 셋째, 기상조건과 대기오염물질 간의 상관관계는 일부 지역에서 통계적인 유의미한 결과를 얻었지만, 전반적으로 뚜렷한 차이를 확인하지 못했다. 기상현상의 복잡한 작용과 국지적 기상조건의 한계로 향후 고도별로 세분화된 분석이 필요한 것으로 사료된다.
지역별 차이가 존재하며, 기상조건과 대기오염물질 간의 상관관계 분석 결과, 전반적으로 통계적 유의미 결과를 확인하지 못했다. 울릉에서 SO₂ 농도 증가가 O₃, PM_2.
향후 고도별 풍속, 풍향 등 기상조건에 따른 오염 영향도 추정 연구가 필요하고, 대기반응을 고려한 시차분석과 고농도, 황사, 대기정체 등의 사례를 고려한 기여도 분석을 수행할 예정이다.

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Korea Meteorological Administration, Surface Weather Observation Guidance, Korea, pp.3-257.
Korea Environment Corporation, Air Korea Database https://airkorea.or.kr

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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