초록 ▼

1. 황사감시기상탑을 활용한 발원지 특성 연구(Ⅱ)
몽골의 에르덴과 놈곤에 설치된 황사감시기상탑의 효율적인 운영을 위해 2016년 8월과 11월의 정기 방문점검과 관측 자료의 수신 상태 확인을 통한 수시점검을 수행하였다. 정기 방문 점검 (8월과 11월)을 통해 두 관측소에 설치된 모든 관측기기를 점검 및 교정하였으며 특히 놈곤에 부유 분진 측정기(베타게이지)와 기압계를 교체 설치하였으며 에르덴의 신축 관리사무실에서 관측탑에서 관측한 자료를 수신 할 수 있게 Bluetooth 무선 통신 시스템을 설치하였다.

앞으로

1. 황사감시기상탑을 활용한 발원지 특성 연구(Ⅱ)
몽골의 에르덴과 놈곤에 설치된 황사감시기상탑의 효율적인 운영을 위해 2016년 8월과 11월의 정기 방문점검과 관측 자료의 수신 상태 확인을 통한 수시점검을 수행하였다. 정기 방문 점검 (8월과 11월)을 통해 두 관측소에 설치된 모든 관측기기를 점검 및 교정하였으며 특히 놈곤에 부유 분진 측정기(베타게이지)와 기압계를 교체 설치하였으며 에르덴의 신축 관리사무실에서 관측탑에서 관측한 자료를 수신 할 수 있게 Bluetooth 무선 통신 시스템을 설치하였다.

앞으로 원격 자료수신 방법을 개선하기 위해 인말새트 위성 통신 모뎀을 이용하여 황사감시기상탑의 자료를 원격 수신할 수 있는 통신 방법을 구축 및 시험하여 놈곤과 에르덴에서 관측한 자료를 우리나라에서 준 실시간 수신할 수 있는 통신 방법을 개발하였다.

황사 감시탑에서 관측한 자료를 자료품질을 검증한 후 이 자료를 이용하여 황사 이벤트와 이와 관련된 기상장과의 관계를 조사하였다. 에르덴에서는 2009년 1월부터 2015년 12월까지의 7년간의 자료를, 그리고 놈곤에서는 2011년부터 2014년까자의 4년간의 자료를 이용하였다.

각 관측소에서 년 평균 PM₁₀ 농도, 이벤트 시의 년 평균 온도, 이벤트 발생 빈도, 지속 시간, 그리고 월 평균 PM₁₀ 농도, 월별 황사 이벤트 발생 빈도수, 이벤트 지속시간, 이벤트시 최고 지속 시간 및 평균 농도 등을 면밀히 분석하였다.

에르덴에서 2015년도에 관측한 시간평균 자료를 이용하여 PM₁₀ 농도의 월 변화, 황사 이벤트의 월별 발생 빈도, 월별 평균 농도, 지속시간 등을 분석하였다. 월 평균 풍속, 월평균 마찰속도, 월평균 기온(2 m 높이) 그리고 월 평균 상대습도와 황사 이벤트 시의 이들 값과 비교한 결과 황사 이벤트 시에 월 평균 풍속, 월평균 기온, 월 평균 마찰속도가 높게 나타났으나 상대습도는 이벤트 시에 더 낮게 나타나는 특징을 보였다.

황사 이벤트 발생시의 임계 마찰속도는 0.57 m s^-1 이었으나 토양수분과는 무관함을 발견하였다.


2. 황사·연무 통합예측모델 개선 연구(Ⅱ)
Ⅳ. 연구결과
1. 최신의 surrogate 버전을 바탕으로 공간할당을 수행하여 수도권지역에 대한 1.5-km 격자 해상도의 배출량 생성이 가능하도록 처리하였음

2. 이용가능한 최신의 국내배출목록(CAPSS 2013) 및 국외배출목록(CREATE 2015)을 SMOKE 입력자료 포맷으로 변환하여 배출량 생성이 가능하도록 처리하였음

3. 장기 농도 모사 결과에 대하여 지표관측자료 및 위성자료를 바탕으로 배출량 profile을 수정함으로서 모사 정확도를 향상시킴

4. AQUM 모델을 위한 배출량 입력자료 마련을 위하여 자연배출량 입력자료, 국내 및 국외 인위적 배출목록을 사용자의 요구에 맞도록 처리 가능한 interface를 개발하였음

5. 국립기상과학원 슈퍼컴퓨터에 CAMx-PSAT을 구축하였으며, 이를 바탕으로 샘플 배출지에 대한 테스트를 수행하였음

6. 황사배출량에 대하여 PCA tagging을 수행하였으며, 위성 AOD를 이용한 배출량 수정방안을 제시하였음

7. 국립기상과학원 제공의 UMMCIP 자료 및 NOAA의 FNL 재분석장을 바탕으로 WRF 모델을 수행한 결과를 관측치와 비교하였으며, 국내 및 국외의 다양한 배출 목록을 상호 비교하여 기상 및 배출량 입력자료에 대한 특성을 분석하였음

8. 황사 및 연무 예보에 최적화된 앙상블 멤버 선정을 위하여 다양한 배출목록에 대한 대기질 모사를 수행하였으며, 관측치와 비교하여 MICS-Asia 2010 및 CAPSS 2010 배출목록 이용 시 모사정확도가 가장 높게 나타남을 확인하였음

9. UM-CAMx 인터페이스 구축을 위한 방안 1 ~ 5를 제시하였음

10. 적중률, 감지확률, 거짓 경보율, 상향 예보율, 하향 예보율 항목을 바탕으로 예보모델에 대한 평가를 수행하였음

11. 예보 평가에 대한 자동화가 가능하도록 IDL을 활용한 예보 평가 코드를 마련하였음

12. 챔버 실험을 통하여 황사 존재 시 SO₂의 산화가 가속됨을 확인하였음

13. OH 라디칼이 SO₂와 반응하며 sulfate와 nitrate의 형성을 촉진하여 electron-hole 이론에 부합하였음

14. 고비 사막의 황사 입자가 애리조나의 입자보다 더 효율적인 SO₂ 광촉매 반응을 보였음

15. 황사 입자의 화학적 특성은 calcium carbonate 및 metal oxide가 H₂SO₄ 또는 HNO₃와 반응하여 변화함

16. 습도가 높은 경우 SO₂ 산화가 가속됨

17. 오존은 황사 입자 표면에서 OH 라디칼을 생성할 수 있으며, SO₂ 산화를 높임

18. NO₂에 대한 효과는 다른 물질들과 상호 작용하여 복잡하게 나타남


3. 한반도 및 그 주변 대기 에어로졸 화학조성 연구(Ⅱ)
Ⅳ. 연구결과
1. 2016년 KORUS-AQ 기간 중 서해상 PM₁₀ 이온농도는 nss-SO₄^2- > NH₄⁺ > NO₃^- > Na⁺ > HCO₃^- > nss-Ca²⁺ > Cl^- > CH₃SO₃^- > K⁺ > Mg²⁺ > CH₃COO^- > HCOO^- > F^- > H⁺ 순으로 높았다. 또 PM_2.5 이온농도는 nss-SO₄^2- > NH₄⁺ > NO₃^- > HCO₃^- > CH₃SO₃^- > K⁺ > Na⁺ > CH₃COO^- > nss-Ca²⁺ > Mg²⁺ > Cl^- > HCOO^- > F^- > H⁺ 순으로 높은 농도를 나타내었다. 이온성분의 조성비는 PM₁₀, PM_2.5 모두 주요 인위적 기원성분(nss-SO₄^2-, NH₄⁺, NO₃^-)이 각각 86.4%, 92.8%로 높은 조성을 나타내었다. PM₁₀ 원소성분 농도는 S > Na > Fe > Al > Ca > K > Mg > Zn > V > Ni > Cu > Pb > Ti > Mn > Ba > Sr > Cr > Cd > Mo > Co 순으로 높았고, PM_2.5 원소성분은 S > Ca > K > Na > Fe > Al > Mg > Zn > Pb > Ni > V > Mn > Cu > Ti > Cr > Cd > Ba > Sr > Mo > Co 순으로 높은 농도를 나타내었다. PM₁₀ 원소성분 조성비는 인위적 기원 성분(S, Pb, Zn)이 51.6%로 가장 높고, 그 다음으로 토양기원 성분(Al, Fe, Ca) 25.1%, 해염기원 성분(Na, Mg) 15.4%의 조성비를 나타내었다. 반면에 PM_2.5에서는 인위적 기원성분이 78.0%로 다른 성분들에 비해 대적으로 가장 높은 조성비를 나타내었다.

2. KORUS-AQ 제주도 고산관측소 PM₁₀, PM_2.5 이온성분 농도는 nss-SO₄^2-이 가장 높고, 발생기원별로는 PM₁₀, PM_2.5 모두 인위적 기원 성분이 각각 89.0, 96.0%로 다른 성분들에 비해 상대적으로 높은 조성비를 나타내었다. 또한 PM₁₀ 원소성분 조성은 인위적 기원 성분이 61.4%, 토양기원 성분이 17.0%, 해염기원 성분이 14.9%를 보였고, PM_2.5 원소성분 조성은 이들 성분들이 각각 69.8%, 5.4%, 12.2%이었다.

3. KORUS-AQ 서울지역 PM₁₀ 이온성분은 NO₃^- 농도가 가장 높아 이동오염원의 영향이 큰 특징을 보였고, PM_2.5에서는 nss-SO₄^2- 성분이 가장 높은 농도를 나타내었다. PM₁₀ 조성을 발생기원별로 비교해 본 결과, 인위적 기원성분이 92.7%, 토양기원 성분이 3.8%, 해염성분이 1.9%로 인위적 기원 성분이 가장 높은 조성비를 보였다. PM₁₀ 원소성분은 S > Ca > Fe > Al > K > Na > Mg > Zn > Ti > Pb > Mn > Cu > Ni > V > Sr > Cr > Cd > Mo > Co > Ba 순으로 높은 농도를 나타내었다. PM_2.5 원소성분 농도는 S > K > Fe > Na > Ca > Zn > Al > Mg > Pb > Mn > V > Cu > Ti > Ba > Ni > Cr > Cd > Sr > Mo > Co 순으로 높은 경향을 보였다. PM₁₀의 발생기원별 조성비는 인위적 기원 성분이 43.8%, 토양기원 39.8%, 해염기원 7.4%로 토양과 해염 기원의 비교적 높았으나, PM_2.5에서는 인위적인 기원성분이 70.3%로 상대적으로 더 높은 비율을 차지하고 있는 것으로 조사되었다

4. KORUS-AQ 안면도 지역 PM₁₀ 이온성분은 NO₃^-의 농도가 가장 높은 반면에 PM_2.5는 nss-SO₄^2-가 가장 높은 농도를 나타내었다. PM_2.5 이온성분 조성은 2차 오염물질인 nss-SO₄^2-, NH₄⁺, NO₃^- 조성이 전체의 96.3%를 차지하여 인위적 기원 물질의 영향이 높은 비중을 차지하였다. 또한 PM₁₀ 원소 성분 농도는 S > Fe > Ca > K > Na > Al > Mg > Zn > V > Pb > Mn > Ti > Ni > Cu > Ba > Cr > Sr > Mo > Cd > Co 순으로 높은 경향을 보였고, 인위적 기원 성분(S, Pb, Zn, Ni)이 PM₁₀, PM_2.5에서 각각 68.4, 66.8%의 조성비를 나타내었다.

5. 2015년 11월부터 2016년 3월까지 서울지역에서 채취한 PM₁₀, PM_2.5의 이온성분은 미세먼지와 초미세먼지 모두에서 NO₃
- 성분이 가장 높은 농도를 나타내었다. 또 PM₁₀ 이온성분의 조성은 인위적 기원의 2차 오염물질(nss-SO₄^2-, NH₄⁺, NO₃^-) 성분이 전체의 85.0%를 차지하였다. PM₁₀ 원소성분은 S > Ca > Fe > Al > K > Na > Mg > Zn > Ti > Mn > Pb > Cu > V > Ni > Sr > Cr > Cd > Mo > Co > Ba 순으로 높은 농도를 나타내었다. PM_2.5 원소성분은 S > K > Fe > Ca > Na > Al> Zn > Mg > Pb > V > Mn > Cu > Ba > Ti > Cr > Ni > Sr > Cd > Mo > Co 순으로 높은 농도를 나타내어 PM₁₀보다 상대적으로 인위적 기원 성분들의 농도가 높은 경향을 보였다. 또한 원소성분들의 발생기원별 조성비는 PM₁₀은 토양기원 성분이 45.1%로 가장 높은 반면에 PM_2.5는 인위적 기원 성분들이 상대적으로 높은 경향을 보이는 것으로 조사되었다

6. 황사 시 서울지역에서 채취한 PM₁₀ 이온 농도는 NO₃^- > nss-SO₄^2- > NH₄⁺ > nss-Ca²⁺ > Cl^- > Na⁺ > K⁺ > HCO₃^- > Mg²⁺ > HCOO^- > CH₃SO₃^- > CH₃COO^- > F^- > H⁺ 순으로 높은 경향을 보였다. PM_2.5 이온 농도는 NO₃^- > nss-SO₄^2- > NH₄⁺ > Cl^- > K⁺ > Na⁺ > nss-Ca²⁺ > HCO₃^- > CH₃SO₃^- > HCOO^- > Mg²⁺ > CH₃COO^- > H⁺ > F^- 순으로 높게 나타났다. 이온성분의 조성은 PM₁₀과 PM_2.5 모두 주요 2차 오염물질(nss-SO₄^2-, NH₄⁺, NO₃^-) 성분이 각각 93.4%, 96.9%로 가장 높은 비율을 차지하였다.

반면에 PM₁₀ 원소성분은 S, Zn, Pb, Ni의 주요 인위적 성분들이 47.8%를 차지하였고, PM_2.5에서는 이들 성분들이 77.1%로 가장 높은 농도로 분포하는 오염특성을 나타내었다.

7. 분석 데이터의 신뢰도 확인을 위하여 NIST SRM 1648a (Urban particulate matter) 인증표준물질(CRM)을 사용하여 정도보증/정도관리(QA/QC)를 실시한 결과, 회수율은 14개 대상 성분들에 대해 93.0～105.2%의 범위를 보였고, 변동계수(CV)는 0.4∼5.9%의 범위를 나타내어 모두 양호한 것으로 확인되었다.

(출처 : 요약문 3, 55, 179p)

Abstract ▼

1. 황사감시기상탑을 활용한 발원지 특성 연구(Ⅱ)
The Asian dust monitoring towers located at Erdene and Nomgon in Mongolia have been maintained effectively by routinely visiting the sites in August and November in 2016 and by checking the real time monitored data that are displayed in the monitoring screen at Center

1. 황사감시기상탑을 활용한 발원지 특성 연구(Ⅱ)
The Asian dust monitoring towers located at Erdene and Nomgon in Mongolia have been maintained effectively by routinely visiting the sites in August and November in 2016 and by checking the real time monitored data that are displayed in the monitoring screen at Center for Atmospheric and Environmental Modeling in Seoul throughout the year to get real time or semi-real time data.

All instruments installed at the towers were checked and repaired in order to operate normally by on site visits on August and November in 2016. During the on site visit in August a new beta-gauge and a new pressure sensor were replaced the old one at the Nomgon site and a wireless data communication system using the bluetooth modem between the datalogger at the tower and the data acquisition PC at the newly built meteorological office was installed at the Erdene site.

To improve the data receiving system effectively a remote data communication system using the inmarsat modem has been developed and tested. This developed system will be implemented for us to get the real time or quasi real time data from the monitoring towers at Nomgon and Erdene.

The monitored hourly mean tower data for seven years period (2009 to 2015) from Erdene and four years period (2011 to 2014) from Nomgon were used after quality control to find the characteristic distribution features of PM₁₀ concentrations and the Asian dust events with the associated meteorological variables.

The characteristic features of Asian dust events such as the annual and monthly occurrence frequency, duration, mean, maximum concentrations in association with the dust event were closely examined.

It was found that the monthly mean wind speed, the monthly mean friction velocity and monthly mean air temperature for the Asian dust event were larger than the corresponding monthly mean values. However the reverse was true for the monthly mean relative humidity. It was also found that the threshold friction velocity for the dust event was 0.57 m s^-1. However the dust event was not related with the soil moisture content at the Erdene site.

(출처 : SUMMARY 4p)

2. 황사·연무 통합예측모델 개선 연구(Ⅱ)
Ⅳ. Results
Dust chemistry
- Airborne mineral dust particles significantly accelerates SO₂ oxidation.

- Our study supports an electron-hole theory for production of OH radicals via their reaction with water molecules. The resulting OH radicals react with SO₂ and increase the formation of sulfate and nitrates.

- Gobi desert mineral dust particles are more effective than Arizona test dust for photocatalytic heterogeneous reactions of SO₂. Overall, GDD particle is more hygroscopic due to higher water soluble salt than ATD particle. Furthermore, the content of photocatalytic metals (Fe, Al, and Ti) in GDD is slightly higher than that in ATD. The content of Ca, which often paired with carbonate, is also slightly higher in GDD than in ATD and may also influence reactivity of dust particles.

- The chemical properties of dust particles change due to the reactions of calcium carbonate and metal oxide with H₂SO₄ or HNO₃. Such changes may modify the hygroscopic properties of dust particles, which affect

Cloud Condensation Nuclei activity.
- The high humidity accelerates heterogeneous SO₂ oxidation. The production of sulfate is exponentially increased as RH increased.

- Ozone can heterogeneously produces OH radicals on the surface of mineral dust particles and enhances SO₂ oxidation. In the presence of dust particles, ozone also increases sulfate formation via autoxidation compared to that with ozone.

- The effect of NO₂ is complex due to several reasons:
· NO₂ promotes SO₂ heterogeneous oxidation ion the surface of mineral dust due to the production of additional OH radicals (HONO from NO₂ e_cb → NO₂^-).

· The gas phase oxidation of SO₂ at high NOx (non-dust chemistry) is suppressed because NO₂ competes with SO₂ for the reaction with OH radicals. At high NOx, HNO₃ rapidly forms.

· The HNO₃ generated from NO₂ OH reaction at high NOx can be condensed on dust particles particularity at the low temperature and high humidity conditions. This nitrate can increase aerosol acidity or deplete carbonate. The rapid flux of nitrate onto dust suppress the partitioning of SO₂ due to increased acidity and decreases sulfate formation.

· The effect of NOx on dust chemistry is compounded with the effect by ozone because NOx promotes ozone formation in the gas phase.

NO₂ and NOx-induced ozone promotes SO₂ oxidation.
· Even with suppression at high NOx, the formation of sulfate is still accelerated by mineral dust compared to the system without dust particles.

AMAR model development
- The ATD-base AMAR model that was derived from artificial UV lamps successfully simulates the data from the outdoor chamber that uses ambient sunlight.

- For cold temperature or high humidity conditions (in the morning), AMAR model simulates suppression of sulfate formation at high NOx condition. The model simulates rapid coating of dust particles with HNO₃ generated from NO₂ OH in gas phase at high NOx. This HNO₃ increases acidity of dust particle and reduce the adsorption of SO₂, yielding less sulfate compared to heterogeneous SO oxidation during warm seasons or under low NOx environments.

- Based on ambient simulation using AMAR (ATD base), the sulfate induced by dust reaction ranged 25-70% at three locations.

- The influence of dust chemistry is greater in Seoul area than that in China. Because relatively SO₂ concentration is low in Seoul than Chana, dust-chemistry significantly contributes to total sulfate.

- In this project, ATD-base AMAR model was applied to the box model. If considered the higher photocatalytic activity of GDD particles than ATD, the influence of mineral dust particles on the formation of sulfate will be higher than the projected here. With the assumption that GDD has double power on sulfate production compared to ATD, heterogeneous sulfate production would be 35-40% of the total sulfate (dust chemist non-dust chemistry) in Jinan and Tianjin area and 80% in the SMA.

(출처 : SUMMARY 58p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 2
• 1. 황사감시기상탑을 활용한 발원지 특성 연구(Ⅱ) ... 3
• 요 약 문 ... 3
• SUMMARY ... 4
• 제 1 장 서론 ... 5
• 제 2 장 황사감시기상탑의 안정적 운영 ... 7
• 제 3 장 위성통신시스템 운영 개선을 위한 기반 시스템 개발 ... 29
• 제 4 장 황사감시기상탑 관측 자료를 활용한 황사 발원지 특성 분석 ... 35
• 제 5 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 50
• 제 6 장 연구 개발 결과의 활용 계획 ... 51
• 제 7 장 참고문헌 ... 52
• 2. 황사·연무 통합예측모델 개선 연구(Ⅱ) ... 54
• 요 약 문 ... 54
• S U M M A R Y ... 57
• 제 1 장 서 론 ... 61
• 제 2 장 연구내용 및 방법 ... 69
• 제 3 장 연구개발결과의 활용계획 ... 171
• 참고 문헌 ... 172
• 3. 한반도 및 그 주변 대기 에어로졸 화학조성 연구(Ⅱ) ... 177
• 요 약 문 ... 177
• 제 1 장 연구 개발 배경 ... 183
• 제 2 장 연구 범위 ... 187
• 제 3 장 연구 방법 ... 190
• 제 4 장 연구 결과 ... 200
• 제 5 장 요 약 ... 223
• 참 고 문 헌 ... 226
• [부록] 1. 황사감시기상탑을 활용한 발원지 특성 연구(Ⅱ) ... 231
• [부록] 2. 한반도 및 그 주변 대기 에어로졸 화학조성 연구(Ⅱ) ... 301
• 끝페이지 ... 352