Characteristics of Asian Dust and Haze in Relation to the Physical Properties of Particulate Matters

Abstract

미세먼지와 기상요소 간의 물리적 특성을 알아보기 위하여 한반도 남동지역에서 2009년부터 2011년 봄철의 에어로솔 수농도를 관측하여 전체 기간과 비 황사 기간을 구분하여 탈경향 교차상관분석 (Detrended Cross-Correlation Analysis, DCCA) 기법을 활용한 기상요소와 미세 입자 농도 간의 상관 분석을 수행하였다. PM10 농도와 기상요소와의 상관성은 온도와 습도에서 가장 높게 나타났으며, 비 황사 기간일 때 보다 뚜렷하였다. 박스 크기가 168에서 336시간에서 뚜렷한 상관성을 보였으며, 기압의 경우 상관성이 거의 없는 것으로 도출되었다. 에어로솔 수농도와 기상요소와의 상관성 역시 비 황사 기간에서 더 뚜렷한 상관성을 보였으며, 3 μm 이상 조대입자와의 상관성이 상대적으로 높게 도출되었다. 습도의 경우, 0.3 μm 이하의 작은 입자들은 양의 상관성을, 1 μm 이상의 조대입자들은 음의 상관성을 보였으며, 타 기상요소와 비교하여 가장 뚜렷한 상관성을 보였다. 에어로솔 수농도와 PM10 농도와의 상관 분석에서는 황사 기간의 조대입자에서 최대 0.736의 높은 상관값을 보였다. 그러나, 비 황사 기간의 경우, 1 μm 이하의 미세입자와의 상관성이 보다 높았으며, 이는 봄철 비 황사 기간에는 조대입자 보다는 1 μm 이하의 미세입자에 의한 대기오염의 영향이 예상된다. 미세먼지의 물리적 성질을 고려한 고농도 에어로졸 현상 특성을 알아보기 위하여 황사, 연무, 박무 및 맑은 날의 직경별 수 농도와 질량 농도 분석을 수행하였다. 황사 사례 경우에는 질량 농도 평균값 대비 전체 입경분포에서 에어로솔의 농도가 1.94배 증가하였으며, 1 μm 이상의 조대모드에서 2.56배의 뚜렷한 증가를 보였다. 연무 사례 경우에는 1 μm 이하의 축적모드 에어로솔의 농도가 1.76배 증가하였다. 박무 사례는 대부분 강수와 함께 동반하여 나타났으며, 전체 입경 분포에서 0.56배의 세정효과로 인한 농도 감소를 보였다. 강수로 인한 세정효과 및 습도에 따른 입자 농도 변동을 살펴본 결과, 비 강수일 대비 91%로 총 질량농도가 감소하였으며, 상대 습도가 80% 이상일 경우, 78.4%까지 감소하였다. 에어로솔 입자 크기에 따른 질량농도 분포를 통계적으로 살펴보기 위하여 입자 직경별 질량농도 자료를 활용하여 기상상태별 최적확률밀도함수를 도출하였다. 축적모드와 조대모드로 구분하였으며, 현상별 에어로솔 총 질량농도, 입자의 기하평균직경 및 기하표준편차를 산출하였다. 현상별 두 개의 피크를 보이는 이산 분포형태를 보였으며, 조대모드에서는 황사 사례의 총 질량농도가 16.3 μg cm-3 로 가장 높게 나타났으며, 축적모드에서는 연무 사례에서 22.86 μg cm-3으로 가장 높게 나타났다. 평균 직경은 조대모드에서 4.41 μm, 축적모드에서 0.41 μm 로 나타났다. 도출된 미세먼지와 기상요소 사이의 DCCA 결과와 현상별 물리적 특성 분석 결과를 토대로 동기간 발생한 에어로솔 고농도 현상에 대한 장거리 수송 연무, 지역 발생 연무, 황사, 박무를 구분하기 위하여 부산과 안면도에서의 지상 수농도 관측값, 역궤적 분석 결과, 조대 모드와 축적모드의 수농도 비율을 기준으로 분류하는 알고리즘을 개발하였다. 먼저 축적 모드와 조대 모드 에어로졸의 일 중앙값을 이용하여 CL 케이스의 기준치를 초과하는지 확인한다. mode 2 값이 초과하지 않으면 해당 사례의 강수 발생 여부를 확인하였다. 강수 발생 시 축적 모드과 조대 모드의 에어러솔 질량 농도 비율을 통하여 강수 단독 발생 사례와 박무와 강수 혼합 사례로 분류하였다. 강수가 발생하지 않을 경우 DCCA 결과에서 확인되듯이 상대습도가 에어로졸 농도의 변동에 가장 큰 영향을 미치므로 80% 상대습도를 기준값으로 하여 현상을 분류하였다. 상대습도가 80% 이상이면 박무 사례로 분류되고 이하일 경우에는 축적 모드의 에어러졸 질량 농도 기준치를 통해 연무와 맑은 날로 분류하고, 장거리 수송을 고려하여 장거리 수송 연무와 도시 연무로 분류하였다. 축적 모드와 조대 모드가 모두 기준치를 초과할 경우, 안면도에서 부산에서 측정된 에어로졸 농도의 차이와 역궤적 분석 결과를 이용하여 장거리 수송 여부를 판단하였다. 마지막으로 두 입자 구간의 에어로졸 질량 농도 비율을 통해 황사와 장거리 수송 연무, 도시 연무 및 맑은 날로 구분하였다. 총 57개의 검증 사례 중 41개 사례는 기상청 관측 결과와 일치하였으며, 8개 사례는 부분적으로 일치하였다. 본 연구를 통하여 에어로솔 고농도 현상 시 미세먼지의 물성을 고려한 연무, 박무, 황사 현상을 보다 객관적이고 과학적인 기법으로 분류함으로써 도시 대기오염과 시정 판단 예측에 크게 기여할 것으로 사료된다.