초록 ▼

Ⅳ. 연구 결과
본 연구 결과를 부문별로 정리 요약하면 다음과 같다.

제1절 전지구 모델을 활용한 예보 모델 개선 및 적용 결과
본 연구를 통하여 UM/GEOS-Chem 인터페이스를 개발하였다. 현재의 단계에서는 UM의 기후모형인 HadGEM을 통하여 구동이 되는 것을 확인하였다. 오존의 경우는 전구적으로 관측과 유사한 지역적 계절별 변화를 보이며 농도도 유사하게 나타나는 것을 확인하였다. 하지만 동아시아에서는 아주 낮은 오존이 분포하는 지역에서 그 값을 모의하지 못하는 한계를 보였다. 황산염, 질산염, 암모

Ⅳ. 연구 결과
본 연구 결과를 부문별로 정리 요약하면 다음과 같다.

제1절 전지구 모델을 활용한 예보 모델 개선 및 적용 결과
본 연구를 통하여 UM/GEOS-Chem 인터페이스를 개발하였다. 현재의 단계에서는 UM의 기후모형인 HadGEM을 통하여 구동이 되는 것을 확인하였다. 오존의 경우는 전구적으로 관측과 유사한 지역적 계절별 변화를 보이며 농도도 유사하게 나타나는 것을 확인하였다. 하지만 동아시아에서는 아주 낮은 오존이 분포하는 지역에서 그 값을 모의하지 못하는 한계를 보였다. 황산염, 질산염, 암모늄의 경우에는 동아시아에서 유사한 지역적 분포를 보이지만 황산염의 경우는 과소모의를 질산염은 과대모의하는 경향을 보였다. 이렇게 관측과 차이를 보이는 이유로는 운량의 차이에서 비롯되는 것으로 분석되었다. 그러한 특징에도 불구하고 백령도와 불광동에서 관측된 PM의 농도는 모델과 유사한 크기를 보였으며 전체적으로 보았을 때 개발된 UM/GEOS-Chem 시스템이 성공적으로 대기 중 오염물질을 모의하는 것으로 분석되었다.
향후에는 현업 UM기상장이 제공되면 이를 이용하여 UM/GEOS-Chem 인터페이스를 개선해 나갈 예정이이며 이를 이용하여 고농도 사례와 평균적인 상황에 대하여 검증을 진행해 나갈 예정이다. 또한 개발된 UM/GEOS-Chem의 결과를 CMAQ에서 경계자료로 사용할 수 있도록 GEOS-Chem/CMAQ linking tool 개발하였다. 이렇게 생성된 경계자료 및 초기자료는 현업모형에서도 사용 가능하기 때문에 현업에서도 활용 가능할 것으로 예상된다.

제2절 UM/CMAQ 인터페이스 개발 및 화학수송 모델 모듈 검토
UM은 영국 기상청에서 개발한 기상예보모형인데, 전구 모형의 예보정확도는 ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) 보다 떨어지지만 미국의 GFS와 유사하였다. UM의 지역규모 모형의 정확도는 강수를 제외하고는 WRF 보다 우수한 것으로 조사되었다. 본 연구에서는 지역규모 UM 모형인 UM-LAM의 출력자료를 처리하여 CMAQ 기상입력자료를 생성하는 UM-MCIP를 운영하였다.
기상청의 UM-LAM의 2014년 1월 기상출력자료에 UM-MCIP를 적용하여 CMAQ 입력기상자료를 생성하였다. 생성된 풍속은 우리나라 주요지역에서 NMB가 –13% ~ 72%, NRMSE가 18 ~ 55%로 자료동화를 사용하였음에도 불구하고 정확도가 높지 않았다. 그러나 WRF의 풍속보다는 정확도가 현저하게 높았다. 반면에 UM-LAM으로 산출한 강수량은 WRF보다 정확도가 크게 낮아서 이의 개선이 필요하다고 사료된다.
본 연구에서 사용한 UM-MCIP는 UM의 바이너리 출력 자료를 직접 해독하여 CMAQ 입력기상자료를 생성한다. 현재 기상청은 UM-LAM의 출력자료를 가공하여 3시간 간격으로 grib 형식으로 제공하고 있다. WRF를 거치지 않고 UM-LAM의 출력자료로부터 직접 1시간 이하 간격으로 CMAQ 입력자료를 생성하기 위해서는 영국의 기상청과 같이 UM-LAM 출력 원자료를 공개하여야만 한다. UM-LAM의 원출력자료가 공개되면 본 연구에서 사용한 UM-MCIP를 이용해서 CMAQ 입력 기상장 자료를 생성할 수 있다.
화학수송모델 모듈을 검토하기 위해서 CMAQ version update에 따른 예보성능의 개선 여부를 평가하였다. CMAQ version에 따라 에어로졸/가스상 chemistry에 대해서 수정 보완하였기 때문에 모델링의 정합도가 개선되는 것으로 알려져 있다. 실제 CMAQ v4.6에서 CMAQ v4.7.1
로 변경한 경우 미세먼지 및 성분 농도에서 모델링 결과가 크게 개선되는 것을 확인하였다. 그러나 CMAQ v4.7.1에서 CMAQ v5.0.2로 변경한 경우에는 모델링 결과의 정합도가 오히려 다소 떨어지고, 모델링결과도 불안정한 것으로 나타났다. 이는 모델링에 입력되는 토양 및 금속성분에 대한 배출량과 배경농도에 대한 불확실성에 기인한다고 판단된다. 따라서 앞으로 지속적으로 CMAQ v5.0.2의 성능을 개선하기 위한 미세먼지 배출량에 대한 화학종분류 방법을 개선하고, 또한 금속/토양 성분에 대한 모델 예측의 정확도를 향상시키기 위한 추가적인 작업이 필요한 것으로 판단된다. 따라서, 예보모델은 향후 CMAQ v4.7.1을 적용하고, 배출량 자료는 2010년 MEIC/2008년 REAS 2 배출량과 2011년 CAPSS 배출량자료로 사용하는 것이 예보 정확도 개선에 필요한 것으로 판단된다.

제3절 지역특성을 반영한 수치예보 개선 방안
한반도상의 풍하측에 위치한 강원권과 영남권의 예측정확도가 다른 권역에 비하여 낮게 나타났다. 이는 종관규모의 기상학적 요인과 월경성 오염물질 이외에 국내발생 오염 물질의 요인이 복합적으로 작용하기 때문이다. 수반모형의 활용가능성을 평가하였다. 영남권역을 대상으로 한 수치실험에서 관측자료를 활용하여 전조시간대의 보정 배출량 산정 가능성이 있음을 확인하였다. 연직 수반모형 분석을 통하여 대구의 지표 오염물질농도에 영향을 미치는 요인은 지표부근 수송뿐 아니라 경계층 발달의 일변화와 함께 나타나는 상층의 수송과 경계에서 유입되는 오염 물질의 영향도 중요하다.
기상 요인 강제력에 의한 지역적 미세먼지 예보 개선 방안을 위하여 WRF-CMAQ 수치실험을 실시하였다. 분석 대상은 예측정확도가 상대적으로 떨어지는 강원권과 영남권을 대상으로 하였다. 동아시아를 대상으로 한 기상요소의 Grid nudging에 대한 영향 분석을 실시하였다. 서해를 포함한 풍상측의 기압 및 온도 자료 동화를 통하여 한반도 풍상측의 기류 정확도가 향상되며, 중국 및 북한에서 유입되는 미세먼지의 경로 예측에 도움이 된다. 따라서 Grid nudging을 통한 종관장의 영향력을 적용할 필요가 있다. 그러나 2014년 1월 사례를 볼 때 Nudging 강도를 강하게 할 경우 미세먼지 예측력이 감소하는 것을 확인하였다. 따라서 종관사례를 구분하여 Nudging 강도를 적용할 필요가 있다.
강원권역의 미세 먼지 예보 향상을 위해서는 고농도 사례일의 미세한 기압장의 분포를 정확히 제시하여야 한다. 종관기상자료 동화 기술을 통한 기압장 분석은 종관사례에 따라 달리 나타난다. 시베리아기단이 확장하는 경우와 저기압이 통과하는 경우 기압의 자료동화 성능이 중요하다. 특히 강원 내륙지역은 이들 기압 특성에 따른 풍속 변동이 수도권으로 부터의 미세먼지 이류에 직접적으로 영향을 미친다. 또한 1 km 해상도의 지형자료를 적용함에 따라 미세먼지 예측정확도 향상은 크지 않으나 증가하는 경향성이 나타났다. 따라서 강원권역은 지형자료의 원래 수치자료 해상도가 높은 것을 선택하여야 한다. 이는 내륙 도심지(춘천 대구)의 미세 먼지 예측 정확도 향상에 기여한다.
영남권역은 남해와 동해가 동시에 존재하기 때문에 예측정확도가 다른 권역에 비하여 떨어진다. 강원권과 마찬가지로 Grid nudging에 따른 바람장 예측 성능의 향상은 뚜렷하다. 그러나 고해상도 SST를 적용한 경우 종관 사례에 따라서는 예측성능 저하가 나타나는 경우가 발생하였다. 특히 겨울철의 경우 대기-해양 상호 작용과 그에 따른 급격한 구름 물리 변동으로 연안지역의 대기 불안정 때문으로 판단되며 SST의 취급에 매우 유의하여야한다. 또한 도시의 지형 및 토지이용에 따른 영향이 영남 내륙에 뚜렷이 나타난다. 따라서 영남지역의 경우 Grid nudging과 고해상도 토지이용도 및 지형자료의 적용이 필요하다. 또한 SST는 사용 전 자료 분석과정을 통하여 자료의 성능을 확보하여야한다.
기상요소의 개선 효과는 기압의 정확도에 따른 바람장의 예측성능이 주요하게 작용하며, 특히 변화가 심한 종관 사례에서 중요성은 증가한다. 본 연구의 사례에서는 적정수준으로 동화강도를 제한하는 경우 예측성이 향상된다.
해석적 자료 중 FNL(1 deg) 과 ECMWF(0.25 deg) 자료의 Grid nudging 효과를 비교 분석하여 이들의 예측성 향상 정도를 평가하였다. 유사한 성능을 가진 종관 자료지만 서로 차이가 나타난다. 따라서 종관장 사용 전 종관자료의 성능평가가 필요하다. 또한 종관 사례를 정량적으로 분류하여 각 지역별 미세먼지 예보 특성과의 관계를 사전에 분석할 필요가 있다.

제4절 동북아시아 측정자료를 활용한 자료동화 기법 개발 및 적용
통합 대기질 모델링의 예측 및 예보 정확성을 향상시키기 위해 위성 및 지상에서 측정된 관측자료를 활용하는 것은 매우 중요하며 특히 이러한 자료는 초기조건을 개선하기 위해 사용할 수 있다. 정지궤도위성인 COMS에 탑제된 GOCI 센서에서 산출된 AOD를 분석한 결과 현재 많이 활용되는 Aqua/Terra MODIS AOD에 비해 높은 시공간적 해상능력을 가지고 있다. 이를 적절히 활용할 통계모델의 개발이 이루어질 것이다. 본 연구에서는 시공간적 관측자료 분포를 동시에 고려할 수 있는 시공간적 kriging 방법을 통해 동아시아 지역의 에어로졸 초기 분포조건을 GOCI AOD만을 이용하여 산정하는 방법을 연구하였다.
중국 및 국내 대기자동 측정자료를 이용하여 예보의 정확도를 향상시키기 위한 자료동화방법에 대해서 이론적으로 정리하였고, 또한 실제로 예보 Testbed를 활용하여 실시간 측정자료를 수신하고, 예보 초기조건에 자료동화를 적용하여 예보를 수행하고 있다. 예보를 위한 자료동화는 예보시점까지 측정된 자료를 활용하여 초기 12시간, 그리고 혼합고 높이까지 PM₁₀, PM_2.5, CO, O₃, SO₂, NO₂의 물질에 대해서 적용하고 있다. 수도권 및 중국지역을 대상으로 평가한 결과, 예보 성능이 개선되는 것으로 파악되었다. 그러나 자료동화는 측정치가 있는 기간에만 수행되어 예보결과에는 직접적으로 적용할 수 없고 측정치 영향반경, 모델과 측정치의 상관성 등에 따라서 다양한 결과가 나타날 수 있기 때문에 자료동화 방법에 대해서 계속적인 검토가 필요한 것으로 판단된다.

제5절 예보 Test-bed 운영 및 현업 예보 결과
2013년과 2014년을 대상으로 KAQFS(Korean Air Quality Forecasting System)의 수도권 지역 예보 운영결과를 평가한 결과, 서울 권역은 과대모의, 인천 및 경기지역은 과소모의 되는 경향이 나타났으며 적중률은 70% 전후로 양호하였으나, 감지확률이 서울지역에서 53 ~ 66%이고, 인천 및 경기지역에서는 50% 이하로 나타나 고농도시 미세먼지 예보 정확도를 개선하는 것이 필요하다.
이를 위해서 미세먼지 농도가 나쁨 등급인 80㎍/m³을 2일 이상 연속적으로 초과한 고농도 사례일을 대상으로 예보 성능을 상세 평가하였다. 고농도 지속기간, 예보모델의 적중률 등을 고려하여 2013년은 1월 9일 ~ 20일, 4월 1일 ~ 6일, 7월 25일 ~ 8월 11일을 선정하였고, 2014년은 2월 19일 ~ 3월 3일, 3월 12일 ~ 22일, 5월 20일 ~ 6월 5일, 7월 10일 ~ 20일 선정하여 집중적으로 오보 원인을 분석하였다.
겨울 및 봄철 사례일에는 중국 월경성 오염물질이 국내로 유입되어 순환류에 의해 국내에 정체하면서 고농도가 발생하나 모델에서 이를 충분히 반영하지 못하였다. 특히 예보모델에 황사배출량이 적용되지 않았으므로 황사일에는 이러한 차이가 더 커졌다. 예보모델에서 겨울철에는 황산염 농도가 과소평가되고 있고, 질산염, OC, EC은 과대 모의되고 있다. 또한, 고농도 사례일에 기상모델에서 예측한 풍향, 풍속, 일사량 등이 관측값과 비교한 결과, 일부 고농도 사례일에서는 기상모델의 불확실성에 의해서 미세먼지 예보의 정확도가 떨어지는 것으로 나타났다.
따라서, 예보 정확도를 높이기 위해 황사 등 비산먼지 배출량을 고려하고, 모델링에 이용되는 국내외 배출량을 평가하고, 기상/화학수송 모듈 등을 검토할 필요가 있는 것으로 파악되었다. 한편, 배출량 및 모델링의 불확실성 외에 측정자료의 불확실성도 고려할 필요가 있으나 본 연구는 예보모델 개선을 목표로 하고 있고 경보제가 측정 자료를 기준으로 운영되므로 측정자료의 불확실성은 검토되지 않았다.

제6절 비산먼지를 고려한 미세먼지 예보방안 수립
동아시아지역을 대상으로 황사배출량 산정 모듈을 개발하고 예보 test-bed에 적용하여 운영하고 평가하였다. 비산먼지 모듈을 고려한 예보모델 결과에서 서울, 인천, 대구, 광주 지역 등에서는 황사발생이 잘 감지되었고 고농도 현상을 예측하였으나 부산, 대구, 울산 등에서는 황사발생은 감지하였으나 고농도 미세먼지는 예측하지 못하고 모델 농도가 낮게 모사되었다. 황사는 기상조건의 의해 배출되고 고비, 몽골고원 등 황사발원지로부터 상층기류에 실려 국내로 유입되기 때문에 비산먼지 모듈의 개선을 위해서는 황사 발생지역, 황사발생 기상조건, 기상모델링 결과의 정확도 등을 검토할 필요가 있다. 향후 test-bed 운영을 지속적으로 하여 자료를 축적하고 기존 연구 사례 등을 검토하여 비산먼지 모듈을 개선해 나갈 것이다.

제7절 예보 working 배출량 산정
예보 working 배출량 산정을 위해 모델링 배출량을 기존 예보모델에서 적용하던 2006년도 INTEX-B 배출량과 2007년도 CAPSS 배출량을 최근 공개된 2010년 기준 MEIC/2008년 REAS2 배출량과 2011년 CAPSS 배출량으로 수정하고, 시간/화학종 프로파일을 보완하여 예보 성능을 평가하였다. 그 결과, 기존 배출량을 적용할 경우에 크게 과대 모의되었던 OC, EC 등은 국내 배출량 감소로 약간 저평가되는 것으로 나타났고, 겨울철에 저평가 되었던 SO₄ 농도는 대폭 개선되는 것으로 나타났다. 또한, 2008년, 2011년을 대상으로 역모델링 기법을 적용하여 현재 제공되고 있는 동아시아 및 국내 배출량 자료를 평가하였다. 역모델링 결과에 의하면 중국 동북부 지역과 국내 경기도, 영남권역에서 배출량 보완이 필요한 것을 파악되었고, 역모델링으로 수정된 사후 배출량 적용시 모델링 결과의 정합도가 크게 개선되었다. 역모델링 기법을 실제 예보모델에 적용하여 평가하였고 중국 지역에서는 개선효과가 큰 반면 국내 지역에서의 개선효과가 기대보다 크지 않아 향후 역모델링 기법의 예보 적용 방법에 대한 면밀한 검토가 필요한 것으로 나타났다.

제8절 대기질 예보 앙상블 기법 개발
다중모델을 이용하여 예보결과를 종합적으로 해석하고 예보정확도를 제고하기 위한 앙상블 예보를 검토하였다. Test-bed 운영결과를 평가하고 test-bed 별 예보 정확도를 분석하여 앙상블 예보 멤버를 선정하였다. 선정된 앙상블 멤버의 예보 결과를 이용하여 산술평균과 가중치 적용에 의한 앙상블 모델 결과를 산출하여 개선효과를 평가하였다. 앙상블 모델결과에서 나쁨 이상 적중률과 감지확률 등이 개선되었고 특히 모델링 정확도가 비교적 낮은 수도권 이외지역에서 개선효과가 크게 나타났다. 향후 각 앙상블 멤버의 예보결과를 축적하고 월/계절 등 예보시기, 미세먼지/초미세먼지, 고농도/저농도 사례일, 오적중일/미적중일 사례일, 기상 패턴, test-bed 모델 특성 등을 검토하여 앙상블모델을 개선하고자 한다.
(출처 : 요 약 문 9p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 3
• 요약문 ... 7
• 목차 ... 15
• 표목차 ... 17
• 그림목차 ... 20
• 제1장 서 론 ... 28
• 제1절 연구의 필요성 ... 28
• 제2장 연구범위 및 내용 ... 30
• 제1절 연구범위 및 내용 ... 30
• 제2절 연구 추진체계 ... 31
• 제3장 연구결과 및 고찰 ... 32
• 제1절 전지구 모델을 활용한 예보 모델 개선 및 적용 결과 ... 32
• 1. UM/GEOS-Chem 인터페이스 개발과 적용 ... 32
• 2. 과거 고농도 및 저농도 사례에 대한 UM/GEOS-Chem 검증 ... 35
• 3. GEOS-Chem/CMAQ 연계를 위한 인터페이스 구축 ... 64
• 제2절 UM/CMAQ 인터페이스 개발 및 화학수송 모델 모듈 검토 ... 65
• 1. 기상청 UM-MCIP/CMAQ 인터페이스 개발 ... 65
• 2. 화학수송 모델 모듈 비교 실험 ... 88
• 제3절 지역특성을 반영한 수치예보 개선 방안 ... 97
• 1. 지역별 미세먼지 오보원인 분석 및 특성파악 ... 97
• 2. 권역별 실시간 측정 자료를 반영한 수치예보 기법개발 ... 105
• 3. 수치 모델의 예측 편의 개선을 위한 권역별 보정 방안 ... 143
• 제4절 동북아시아 측정자료를 활용한 자료동화 기법 개발 및 적용 ... 192
• 1. 위성자료를 이용한 자료동화 기법 개발 및 적용 ... 192
• 2. 측정자료를 이용한 자료동화 기법 개발 및 적용 ... 199
• 제5절 예보 Test-bed 운영 및 현업 예보 결과 ... 216
• 1. 고농도 사례분석 및 오보원인 분석 ... 216
• 2. 초미세먼지 예보 평가 ... 314
• 3. Test-bed 운영 및 예보 지원 ... 319
• 제6절 비산먼지를 고려한 미세먼지 예보방안 수립 ... 331
• 1. ADAM2 dust scheme ... 331
• 2. 비산먼지 모듈 평가 ... 336
• 3. 비산먼지 모듈을 고려한 예보 모델링 결과 평가 ... 341
• 제7절 예보 Working 배출량 산정 및 오존 예보 연계성 검토 ... 352
• 1. 예보 모델링 배출량 비교 실험 ... 352
• 2. 역모델링 배출량 산정 및 적용 ... 370
• 제8절 대기질 예보 앙상블 기법 개발 ... 388
• 1. 다중 모델별 특성분석 및 확률예보를 위한 기반 마련 ... 388
• 2. 현업 활용을 위한 자동화 앙상블기법 프로세스 마련 ... 394
• 3. 스모그 모듈의 개발 및 적용 ... 399
• 제4장 결론 ... 408
• 제5장 기대성과 및 활용방안 ... 414
• 제6장 참고문헌 ... 416
• 끝페이지 ... 419