초록 ▼

Ⅳ. 연구 결과
▶ 국내 배출량 실시간 변환 시스템 기반 구축
1) 국립환경과학원과 환경공단에서 제공받은 최근 3년간(2013, 2014 과 2015) 실측 CleanSYS 자료를 이용하여 예보제 모델링에 필요한 점 오염원에 대한 시계열 자료를 개발하였다.
일반적으로 오염물질과 보조항목 자료(굴뚝 배출온도, 산소량, 유량)간의 시계열 변화와 매우 유사하였으며, 이러한 오염물질과 보조항목간의 패턴은 모든 굴뚝에서 유사하게 나타났다.
따라서 본 연구에서는 장기간 완성도가 높은 NOx 와 보조항목인 굴뚝 배출 유량의

Ⅳ. 연구 결과
▶ 국내 배출량 실시간 변환 시스템 기반 구축
1) 국립환경과학원과 환경공단에서 제공받은 최근 3년간(2013, 2014 과 2015) 실측 CleanSYS 자료를 이용하여 예보제 모델링에 필요한 점 오염원에 대한 시계열 자료를 개발하였다.
일반적으로 오염물질과 보조항목 자료(굴뚝 배출온도, 산소량, 유량)간의 시계열 변화와 매우 유사하였으며, 이러한 오염물질과 보조항목간의 패턴은 모든 굴뚝에서 유사하게 나타났다.
따라서 본 연구에서는 장기간 완성도가 높은 NOx 와 보조항목인 굴뚝 배출 유량의 자료를 이용하여 최종 굴뚝별 평균 월별, 주별, 그리고 일별 시계열 자료를 산정하였다.

2) 미국 EPA에서 작성한 최신의 MOVES 2014(Motor Vehicle Emissions Simulator 2014)이동오염원 배출량 모델로부터 기상조건에 따라 변하는 차종별 오염물질별 배출계수를 계산하였으며, 한국 국토교통부에서 제공하고 있는 최신 도로 교통자료를 이용하여 기상조건이 고려된 예보제 모델링용 월별 및 일별 시계열 자료를 작성하였다. 기본적인 활동도만 이용할 경우 현재 예보제 모델링(NIER)에 쓰이고 있는 flat한 월별 시계열자료에 비해, 늦은 여름(8-10월) 기간 동안의 이동오염원의 기여도가 높아지는 것을 확인하였으며, 차종별 도로별 월별 시계열자료에는 큰 변화가 없는 것으로 나타났다. 기상변화가 고려된 일별 시계열 자료의 경우 NOx와 PM2.5에 대하여 기존의 패턴에 비하여 온도가 상대적으로 낮은 오전과 저녁에 배출량이 증가하였으며, 오후에는 배출량이 감소하였다.

3) 대기질 모델링 예측치 결과에 영향을 많이 미치면서 또한 기상변화에 민감한 배출량 오염원들의 시간적인 상세도를 높이기 위해 EPA의 협조로 UNC에서 작성한 Generating Temporal PROfile(GenTPRO) 프로그램을 이용하여 기상변화에 민감한 오염원에 대한 월별/주별/시간별 시계열 자료를 개발하였다. 월별 변동성이 작은 자료를 이용하고 있는 축산업 거름용 오염원의 경우, Gentpro 프로그램을 이용하여 작성한 월별 시계열 자료를 이용할 것을 추천한다

4) 현업예보에서 기존에 사용되는 공간할당 대리인자는 김순태 외(2008)를 기초로 국내의 CAPSS 배출원 분류체계에 맞추어 개선되어 왔다. 현재 사용 중인 대리인자는 총 23개로 구성되어 있으며, 이동오염원에 관련된 6개의 대리인자(고속도로, 철도, 항로, 실측도로,비실측도로, 일반도로)와 면오염원에 관련된 8개의 대리인자(농경지, 공항, 항구, 주거지,산업단지, 상업단지, 주상복합단지)와 점오염원에 관련된 1개의 대리인자(주유소)이다. 최근 레저활동과 관련된 배출원, 2행정 기관 등 여러 신규 배출원이 보고되고 있으며, 이를 효과적으로 표현하기 위해 대리인자를 다양화 하였으며, 기존 배출원의 비도로 이동오염원(항공기, 연근해 선박 등)에 대한 공간할당 대리인자를 작성하였다.

▶ 위성자료 등을 이용한 국외(중국 등) 배출량 실시간 변환 시스템 기반 구축
1) 현업 예보에 사용되고 있는 국외 배출목록으로는 INTEX-B 2006과 MICS-Asia 2010이 이용된다. INTEX-B에 사용되고 있는 발전 및 난방 부분의 배출특성을 검토하였으며, INTEX-B 2006 배출목록의 면 및 점 오염원에서 사용되고 있는 SCC 6가지의 경우 전반적으로 겨울철에 배출이 높고 여름철에 낮은 배출을 보였다. 위성에서 관측된 NO2 VCD (Nitrogen dioxide vertical column density)와 대기질 모델에서 모사된 NO2 VCD의 월별 변동성과 비교 검토 시 기초 자료로 이용하였다.

2) 본 과업의 최종적인 목표는 기상 현상이 반영된 배출량 변환 시스템 구축으로 이를 위한 연구의 접근 방향을 설계하고 그 가능성을 검토하였다. 본 연구에서는 단계적인 접근 방법을 제안하였다. 우선 모사값의 월별 변동성에 대한 검토를 선행하며, 그 이후에 기상인자와 대기오염물질의 관계를 검토하는 두 단계로 이루어진 접근을 설계하였다. 1차년도 사업에서는 위성자료와 모사 농도의 장기적으로 비교하여 전반적인 추세 맞추는 것에 집중하였으며, 연차과업을 통해 세부적인 조정을 하고자 한다. 위성과 모사농도를 이용한 월별 변동성 검토를 위해, 동북아시아 지역에 대하여 NO2 VCD를 이용하였다. The NASA Ozone Monitoring Instrument (OMI) NO2 VCD measurements에서 측정된 값과 가장 오랜 기간 모델 자료가 축적된 INTEX-B 2006 & CAPSS２００７ 배출목록을 이용한 예보모델의 NO2 VCD 모사와 차이를 비교하였다. 겨울철과 봄철의 경우 중국지역의 VCD 과소 모의가 관찰되며, 봄, 여름,가을에 수도권 지역의 VCD 과소 모의가 특징적으로 나타났다. 기상인자에 대한 적용성을 검토하기 위하여, 동북아시아 지역 예보 도메인을 대상으로 서로 다른 장소에서의 미세먼지 및 기온의 월별 변화 패턴을 조사하였다. 이용 가능한 관측자료에 따라 길게는 10년에서 최소 4년이상의 자료를 분석하였으며, 지역적 차이에 따라 기온은 5~10 도씨 가량, 미세먼지 농도는 최대 40 ㎍/㎥ 차이를 보였다. 지역에 따라 온도의 상승 및 하강시기에 차이를 보이며,미세먼지 농도 변화는 이와 역상관성을 보였다. 1차년도에서는 다년간의 관측자료를 통해 현업예보에 사용되는 모사영역에서 이러한 차이를 확인하였으며, 이에 따라 차년도 사업에서는 지역별로 구분된 배출량 시간 할당 계수 적용을 제안한다.

3) 본 연구에서는 현재 사용되고 있는 Surrogates의 프로세싱 셋팅과 입력자료의 검토 후,UNC 팀은 기존 Surrogates의 업데이트 및 새로운 Surrogates의 작성을 위해서 다음과 같은 최신 GIS Shape 파일들을 이용하였다.

(1) Socioeconomic Data and Applications Center (SEDAC) Gridded Population of the World (GPW) version 4.0 for 2000, 2005, 2010, 2015, 2020.
(2) SEDAC Global Roads Open Access Data Set (gROADS) for 1990-2010
(3) United State Geological Survey (USGS) Land Cover Institute (LCI) for 0.5 km MODIS-based Global Land Cover Climatology.
(4) The Peace Research Institute Oslo (PRIO) Petroleum Dataset v. 1.2 (PETRO)
총 인구 (Total Population) Surrogate #1에서는 큰 변화를 보이지 않았으나, Forest Surrogate 5의 경우, 업데이트시 전반적으로 수립지역이 적게 나타났다. 한편, 도로 (Total Road) Surrogate의 경우, 최신화에 따라 도심지역에서 도로의 증가를 볼 수 있다

4) 2015년 한 해(12개월)에 대하여 배출량 보정 후 재모의하였다. 이와 같은 배출량 보정방법이 차년도 사업을 이어감에 있어 이차오염물질(미세먼지 및 오존) 농도 모사능력의 개선에 어느 정도 효과를 보일 수 있을지 가늠하고자 하였다. 기존 예보모델의 경우 서울지역의 경우 질소산화물의 과대 모의 경향이 뚜렷하며 여름철의 경우 월평균 50 ppb 이상과대 모의하였다. 배출량 보정 이후 이러한 과대 모의 경향은 대폭 개선되어 관측과 모사의 월평균 편차는 5~10 ppb 이내로 개선되었다. 같은 방법으로 서울지역의 오존농도를 비교한 결과 6월 달의 평균농도는 기존 예보모델의 과소모의(음의 편차 ~20 ppb)가 거의 관측과 유의한 수준(음의 편차 ~5 ppb 이내) 으로 개선되었다. 수도권 집중측정소를 대상으로 초미세먼지 관측 농도와 예보 모델의 배출량 보정 전후를 비교한 결과 초미세먼지의 경우 질소산화물이나, 오존처럼 급격한 농도 변화는 보이지 않았으나, 겨울철 과대 모의와 여름철과소모의가 소폭 개선되었다. 여름철 서울지역 질소산화물 농도는 감소함에도 미세먼지 농도는 상승하였으며, 이는 국내를 대상으로 질소산화물 농도에 대한 미세먼지 민감도를 분석한 선행연구(김순태 외, 2017)에서 이와 같은 현상이 보고된 바 있다.

▶ 대기오염 사고 시 배출량 변화에 따른 국내 영향 예측 시스템 구축
1) 대기질 모델에 사용되는 배출목록은 정량화 할 수 있는 지속적인 배출원들에 대한 고려만 이루어지고 있다. 즉 예측이 불가능하거나 매우 어려운 화산폭발, 대기오염 사고 등은 고려가 되어 있지 않다. 위성 자료를 이용하여 관측된 실시간 산불 배출량을 예보 모델에 적용, 두번째는 비산먼지(황사)에 대한 시간별 배출량을 생성 및 적용하였다. 산불 배출량을 적용함에 따라 기본 모사에서는 모델이 과소모의를 보이는 7월 25일 부근에 산불에 의한 농도 상승이 모사 되었다. PM2.5의 시간평균 농도는 불광동 집중측정소를 기준으로 100 ㎍/㎥ 까지 증가하였다. 인위적 사고사례에 대한 적용을 위해서는 Python 툴을 이용한 시스템을 제안하였으며, CAMx flexi-nesting 기법을 통해 고해상도 결과를 도출하도록 설계하였다.

2) Screening Trajectory Ozone Prediction System (STOPS)는 오일러리안 및 라그랑지안모델이 가지고 있는 단점을 상호 보완한 하이브리드 모델로서, 국내 현업 대기질 모델인 CMAQ과 결합하여 미세먼지를 포함한 다양한 대기 오염물질의 수치모의 정확도 향상에 이용될 수 있다. STOPS는 CMAQ과 거의 동일한 모델링 결과를 보여주지만 상대적으로 CMAQ에 비해 매우 짧은 계산 속도를 가지기 때문에 다양한 분야에서 유용하게 활용 될 수 있다. STOPS v2.0 < Fig. 3-15 >에서는 기존의 STOPS v1.0에서 나타난 여러 가지 문제점들이 수정 및 보완되었고, 자세한 분석을 위한 새로운 모듈이 추가 되어 관련 연구에서의 활용도가 높아졌다. 특히 CMAQ v5.0.2 모델에 포함된 각종 모듈과의 호환성이 향상되어 STOPS 모델의 수치 모의 안정성이 높아졌고, STOPS 도메인의 이동 경로를 역 추적하여 발원지를 추정할 수 있는 역궤적 분석 모듈이 추가되었다.

3) 사례 기간에 대하여 CMAQ 기본 예보에서는 동중국 지역의 고농도 미세먼지가 전혀 모의되지 않았다. 하지만 STOPS 예보에서는 해당 지역의 미세먼지 분포가 뚜렷하게 모의되었음을 확인 할 수 있다. CALIOP 라이다를 통해 관측된 후방산란 신호값과 모델의 PM10 농도값은 단위가 다른 물리량이므로 상호 정량적 비교가 어렵지만 미세먼지의 공간분포를 정성적으로 비교해 보았을 때 STOPS 예보 결과가 CMAQ 기본 예보에 비해 현실적인 결과를 보여주고 있음을 알 수 있다. 전체적인 농도는 지표면 및 0.5 km 고도에 비해 상대적으로 감소 한 것을 볼 수 있다. 1.5 km 고도 이상에서는 동중국지역 부근의 뚜렷한 미세먼지 분포가 STOPS 예보 결과에서 나타나지 않았다. 이는 앞서 언급한 CALIOP 후방산란신호 분석 결과와 일치하는 결과이며, 결론적으로는 STOPS 미세먼지 예보 결과가 지상 뿐 만 아니라 상층에서도 높은 모의 정확도를 보여줌을 의미한다.

▶ 국내․외 실시간 현실을 반영하는 대화형 모델링 시스템 기반 구축
1) 본 연구를 통해 마련한 배출량 시간할당 계수 변경이 현업 예보시스템에 적용하여 예보모델의 모의능력이 어떤 영향을 받는지 평가하였다. 시스템의 설계 방안을 구축하는 1차년도 과업의 특성상 시스템의 호환성은 STOPS 프로그램에 대하여 검토되었으며, 국립환경과학원 대기질 통합 예보센터의 서버에 이관 및 시험 구동되어 호환성에 대한 검토가 완료되었다. 면오염원 중 축산에서 배출되는 암모니아에 대하여 기상인자를 고려하여 배출량 보정을 수행한 결과를 비교한 것이다. 전체 PM10 모의 농도에는 큰 차이를 보이지 않았으나 성분별로 살펴볼 경우 황산염은 겨울철에 소폭 상승, 질산염과 암모늄의 경우 겨울철에 소폭 감소, 여름철에 소폭 증가함이 모의되었다. 암모니아 변화에 대한 배출량 변화가 작게 나타난 이유는 기존예보 모델에서 모의하고 있는 대기 중 암모니아의 농도가 이미 이차반응을 통해 미세먼지로 변환되기에 충분한 양이 존재하기 때문으로 추정된다. 축산, 이동오염원의 활동도를 이용한 배출량 변환, 위성을 이용한 NOx 배출량 보정 등 다양한 배출량 보정이 각각 미치는 영향을 분석한 결과는 미세먼지 농도의 개선에 두드러진 효과를 보이지는 않았다. 단, 이들이 복합적으로 적용됨에 따른 시너지 효과를 기대할 수 있으며, 국외지역에 대하여도 이와 유사한 배출량 보정이 적용된다면 국내 미세먼지농도 모의능력 개선에 효과를 보일 것으로 추정된다.

( 출처 : 요약문 5p )

목차 Contents

• 표지 ... 1제 출 문 ... 2요 약 문 ... 3목차 ... 9표목차 ... 11그림목차 ... 12I. 서 론 ... 17II. 연구 내용 및 방법 ... 18 1. 기본 연구 방향 ... 18 2. 과업지시서 세부 연구 ... 19 1 장. 국내 배출량 실시간 변환 시스템 기반 구축 ... 19 2 장. 국내 배출량 실시간 변환 시스템 기반 구축 ... 46 3 장. 대기오염 사고 시 배출량 변화에 따른 국내 영향 예측 시스템 구축 ... 76 4 장. 국내·외 실시간 현실을 반영하는 대화형 모델링 시스템 기반 구축 ... 115III. 결론 ... 120IV. 기대성과 및 활용방안 ... 125V. 향후연구 ... 126VI. 연구추진계획 및 일정 ... 127VII. 참고문헌 ... 128끝페이지 ... 129