A numerical study on the characteristics of flow and dispersion of pollutants in an urban area using WRF-CFD

Abstract

본 연구에서는 서울시 영등포구 지역의 상세 대기 흐름 및 오염 물질 확산 특성 분석을 위한 연구를 수행하였다. 영등포구 지역은 서울의 다른 지역에 비해 도시지역의 특징을 잘 반영하고 있는 지역으로, 도시지역에서 나타나는 상세 대기 흐름 및 오염물질의 확산 분석에 적합하다. 도시 지역에서 배출되는 다양한 오염물질 중 다른 오염물질과의 반응성이 거의 없고 자동차와 같은 도로이동오염원으로부터 주로 배출되는 일산화탄소(CO)를 대상으로 수치실험을 수행하였다. 수치 모의 실험 결과의 정밀도 향상을 위해 WRF-Chem 모델과 CFD 모델의 일 방향 접합모델(WRF-CFD 모델)을 사용하였다. WRF-CFD 모델을 이용한 수치 모의 실험에서는 WRF-Chem 모델의 모의 바람장과 농도장이 WRF-CFD 모델의 유입경계자료로 사용된다. 수치 모의 실험 결과, 두 모델 모의 풍향은 관측과 유사하였다. 하지만 두 모델 모두 풍향의 급격한 변화는 잘 모의하지 못하였다. 풍속의 경우, WRF-Chem 모델의 모의 풍속은 상세 지형과 건물 자료를 고려할 수 없기 때문에, WRF-Chem 모델의 모의 풍속은 관측 풍속에 비해 크게 과대모의 되었다. 반면에 WRF-CFD 모델은 상세 지형 및 건물 자료를 고려할 수 있으므로, WRF-CFD 모델의 모의 풍속은 관측 풍속과 유사하게 나타났다. 두 모델의 모의 풍향과 풍속을 비교해 본 결과, 유입류 풍속(WRF-CFD 모델의 모의 풍속) 대비 WRF-CFD 모델의 모의 풍속의 감률은 유입류 풍향에 따라 다르게 나타남을 알 수 있었다. 이를 분석하기 위해 풍향을 4가지 풍향(동, 서, 남, 북)으로 나누었다. 풍향이 동, 서 또는 북인 경우, AWS 주변에 흐름에 영향을 미칠만한 건물이 존재하기 때문에 풍속의 감률이 높게 나타났다. 반면에, 풍향이 남인 경우, AWS 남쪽에는 흐름에 영향을 미칠만한 건물이 존재하지 않기 때문에 풍속의 감률이 적게 나타났다. 이를 통해 WRF-CFD 모델은 건물에 의한 흐름변화를 잘 반영할 수 있음을 알 수 있었다. 대상 지역의 상세 오염물질 확산 분석을 위하여 앞서 모의된 각 모델의 바람장을 토대로 오염물질 확산 수치 실험을 수행하였다. 수치 실험을 위하여 초당 단위면적에서 배출되는 CO의 배출량을 산정하여 WRF-CFD 모델의 입력자료로 사용하였으며, 배경 농도장으로는 WRF-Chem 모델의 CO 농도장이 사용되었다. WRF-Chem 모델의 바람장을 이용한 경우, 관측 값에 비해 농도가 크게 과소 모의되었다. 이는 WRF-Chem 모델의 연직 속도성분이 수평 속도에 비해 약해 연직확산이 활발하게 일어나지 못했기 때문이다. WRF-CFD 모델의 바람장을 이용한 경우, 적은 CO 배출량으로 인해 낮은 CO 농도가 모의되는 야간(00시 - 05시)을 제외하고는 관측 CO 농도와 유사한 농도가 모의되었다. 오염물질 확산 특성 분석을 위하여 출퇴근 시간, 주간, 야간으로 나누어 분석을 수행하였다. CO 배출량이 많은 출퇴근 시간에는 높은 농도가 모의되었고, 배출량이 적은 야간에는 낮은 농도가 모의되었다. 주간에는 CO 배출량은 높지만 강한 모의 풍속으로 인해 농도 확산이 활발하기 때문에 출퇴근 시간에 비해 낮은 농도가 모의되었다. 본 연구에서는 WRF-Chem 모델과 CFD 모델의 일 방향 접합모델(WRF-CFD 모델)을 통해 상세 대기 흐름 및 오염물질의 확산의 정밀도를 향상시켰다. 이는 도시 지역 내의 대기 흐름에 따른 고농도 지역 파악에 용이하므로 이를 이용한 효율적인 대기질 모니터링 위치 선정이 가능하다. 또한 대기질 개선을 위한 방안 및 도시계획이나 재개발 계획 단계에서 쾌적한 대기환경 조성을 위한 가이드라인 제시가 가능하다.