Variation of Atmospheric Pollutants Concentration by Raindrop Size Distribution in Southwestern Area, Korea

Abstract

2003년, 2004년 및 2007년 강수가 집중적으로 발생하는 한반도 남서해안지역의 강수입자 직경분포에 따른 대기오염물질 농도의 변동특성을 알고자 여름철 (7월) 한반도의 남서해안지역인 목포, 추자도 및 이어도해양종합과학기지에서 강수와 에어로솔을 채취하여 수용성 이온 성분과 중금속 성분들을 분석하고 강수입자분석기 POSS를 이용하여 강수입자의 입경분포를 측정하였다. 강수의 입경분포는 작은 입자에서의 수농도, 중간크기 입자에서의 수농도, 그리고 큰 입자에서의 수농도 분포는 각각의 강수 특성에 따라 다르게 관측되었으며 강우강도에 따라 다양하게 분포하였다. 비슷한 강우강도를 가지는 수농도 분포에서 작은 입자 (1.0 mm 이하)에서의 수농도 값이 높은 경우, 중간 크기 (1.0 ∼ 3.0 mm) 이상의 입자에서의 수농도 값은 다른 관측값에 비하여 상대적으로 낮게 나타났고, 반대로 작은 입자에서의 수농도 값이 낮을 경우, 중간 크기 입자와 큰 입자 (3.0 mm 이상)에서의 수농도 값이 높게 관측되었다. 이온 및 중금속 성분의 경우, 2003년과 2004년 목포에서 관측된 강수는 해안지역의 특성을 잘 반영하고 있었다. 2003년의 경우 SO42-의 기여도는 전체 음이온 성분 중 57 % 이상을 차지하고 있으며 Cl- 이온이 34 %, NO3- 이온의 농도가 가장 낮은 9 %의 기여도를 나타내었다. 2004년은 7월 4일의 사례에서 NO3- 이온은 71.8 ∼ 325.5 ueq/l로 나타났으며 기여도는 18 %, SO42- 이온은 46.9 ∼ 257.3 ueq/l의 농도 분포로 14 %의 기여도를 나타내었다. 7월 7일에 관측된 강수는 NO3- 이온은 88.5 ∼ 1887.3 ueq/l로 기여도는 32 %, SO42- 이온은 36.6 ∼ 554.0 ueq/l의 농도 분포로 15 %의 기여도를 나타내었다. 각 수용성 이온성분은 역궤적분석 결과 중국지방과 해양을 거쳐 국내로 유입되는 것으로 나타나 고정오염원에 대한 영향을 받는 것으로 사료된다. 2007년 7월 5일 추자도에서 채취된 강수에 대하여 각 이온의 평균농도는 Na+>Cl->NO3->SO42->NH4+>F->K+>Mg2+>Ca2+의 순서로 나타났으며 이온 성분 중 음이온이 63.3 %, 양이온이 36.7 %로 나타났다. 추자도지역은 섬 지역이며 해양지역의 특성을 잘 반영하는 지점으로 Na+, Cl-의 농도의 기여도가 85.2 %, 52.4 %로 매우 높게 나타났다. 그 다음으로 NO3-와 SO42-의 농도가 높게 나타났으며 비해염성 기원을 가지는 nss-SO42-는 관측되지 않아 추자도 지역에서의 SO42-의 관측 값은 전부 해양기원으로 볼 수 있다. 7월 9일 강수에서는 농도값의 크기가Na+>Cl->NO3->NH4+>SO42->Mg2+>Ca2+>K+>F-의 순서로 나타났다. 각 성분별 비율은 음이온이 56.9 %, 양이온이 43.1 %로 나타났으며, Na+, Cl-의 농도의 기여도가 75.9 %, 64.1 %로 매우 높고, 토양에 기원을 가지는 Ca2+, K+의 경우 평균 농도가 68.4, 54.2 ueq/l로 가장 적은 농도로 나타났다. 2007년 6월 12 ∼ 13일에 이어도 해양종합과학기지에서 채취한 강수는 평균농도가 Cl->Na+>NH4+>Ca2+>Mg2+>F->SO42->NO3->K+의 순서로 나타났다. 각 성분별 비율은 음이온이 추자도와 유사한 56.9 %, 양이온이 43.4 %로 나타났다. Na+, Cl-의 농도의 기여도가 49.8 %, 74.3 %로 매우 높게 나타났으며 인위적인 발생원을 가지는 SO42-와 NO3- 이온은 상대적으로 낮게 나타났다. 따라서 이어도 해양종합과학기지는 인위적인 오염원에 의한 영향이 거의 없는 전형적인 해양지역의 특성을 잘 반영하고 있는 것으로 판단된다. 강수입자의 입경분포와 에어로솔의 수농도를 관측하였으며 강수의 형태를 구분하는 알고리즘을 적용하여 대류형 강수와 층운형 강수에 따라 에어로솔의 제거율에 대하여 분석하였다. 그 결과 10 mm/hr 이상의 강한 강우강도를 가지는 대류형 강수가 통과할 경우 에어로솔의 제거에 큰 영향을 미치는 강수입자 직경은 1.0 mm 이상의 강수입자이고 1.0 ㎛ 이하의 미세입자 (fine particle)가 2.9 ∼ 10.3배가 제거되는 것을 알 수 있었다. 또한 강수입자의 직경에 의한 영향과 더불어 하층에 공기괴의 발산영역이 존재할 경우 미세입자의 수농도가 감소하는 것으로 나타났다. 강수의 형태가 층운형일 경우 수농도 증감이 정확한 경향을 파악하기 힘들었으며 종관기상 상태 분석 결과, 관측된 에어로솔의 전 입경영역에서 하층에 10 × 10-6s-1 이상의 강한 수렴이 발생할 경우 관측지점 주변의 에어로솔의 유입으로 그 수농도가 증가하는 것으로 판단되었다. 따라서 해안지역의 에어로솔 수농도는 강수입자의 직경에 따라 제거율에 차이를 보이며 바람장의 수렴과 발산에 의해 수농도의 변동성이 큰 것을 알 수 있었다. 관측 기간 중 강수입자의 입경분포에 따라 변화하는 강수 중 수용성 이온 성분인 SO42- 이온의 경우 1.5 mm 이하의 강수입자 영역이 모든 농도 범위에 영향을 미치고 있는 것을 알 수 있었으며 0.5 mm 이하의 작은 강수입자가 강수 중 SO42- 이온을 제거하는 큰 요인으로 작용하는 것을 알 수 있었다. NO3- 이온은 SO42- 이온과 달리 저농도와 고농도가 뚜렷하게 구분되는 강수입자 크기 영역은 없었으나, 1.0 mm 이하 입자에서 출현 빈도가 높게 나타났다. Cl- 이온은 SO42-의 경우와 같이 뚜렷하게 저농도에서 큰 입경을 가지는 강수입자의 출현빈도나 고농도에서 1.0 mm 이하의 작은 입경을 가지는 강수입자의 출현빈도가 높은 결과를 나타내었다. 또한 Zn과 Mn의 경우에서도 1.0 mm 이하의 강수입자가 중금속의 세정에도 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다.