Dynamical analyses in time series between the PM10 and the meteorological factor using the detrended cross-correlation analysis

Abstract

해염 입자, 토양 입자, 자동차 매연 등 자연적 또는 인위적으로 생성되는 입자상 물질의 농도는 지표면 성질, 표면 식생의 종류, 산업도시의 구조뿐만 아니라 기상 요소에 의해 영향을 받는다. 기상요소와 미세먼지 농도의 상관성 연구는 파워 스펙트럼 분석법을 사용한 주기 분석이나 피어슨 상관계수를 이용한 상관분석이 주를 이루고 있다. 그러나 이러한 분석 방법들은 자기상관을 전제로 하는 방법이거나, 기상 자료와 같이 다양한 시계열 자료의 특정한 경향성을 제거하지 못한 상태에서 상관성 값을 도출한다. 그리고 시계열 자료는 정상성을 가진다는 전제하에 분석이 이루어지는데, 실제로 거의 모든 시계열 자료는 비정상성을 가지고 있다. 이로 인해 그 결과물의 신뢰성은 상관성을 판단하기에는 부족하다. 따라서 본 연구에서는 DCCA (Detrended Cross-Correlation Analysis) 방법의 특정 경향성 제거를 통하여 2006년부터 2010년까지 5년간 한반도 8개 도시를 내륙, 해안으로 나누어 기상 요소인 온도, 습도, 풍속과 미세먼지 농도(PM10)간의 시간 범위에 따른 상호 관련성(Cross-Correlation)을 연구하였다. 또한 황사기간과 비황사기간 동안의 PM10과 기상요소 간의 상관성을 보기 위해 시계열 자료를 2가지 경우로 나누어 분석하였으며, DCCA 방법으로 구한 상관값들의 통계적인 상호 상관성 실험을 수행하였다. 황사의 경우, 자료를 3시간 간격으로 상관값을 계산하여 3시간, 6시간, 12시간, 1일, 2일, 3일, 7일의 상관값을 도출하였다. 비황사의 경우, 6시간 간격으로 6시간 24시간, 3일, 7일, 14일, 30일, 90일, 180일, 365일의 상관값을 도출하였다. 황사 기간의 DCCA 상관계수는 최대값이 0.3을 넘지 않는 값을 보였다. 이 값들의 상관성 여부 확인을 위해 상관성이 전혀 없는 값들의 DCCA 분석을 통한 임계치를 생성하여 귀무가설을 적용시켜 상관성 유무 판단 분석을 수행하였다. 그 결과, 내륙지역의 PM10과 습도가 양의 상관값들을 보였고, 전체적으로 PM10과 기상요소들은 box size가 12에서 48사이의 값을 보일 때, 의미있는 상관값을 보였다. 이는 5년간 발생한 황사의 평균 지속시간과 최대 지속시간과는 관련이 있음을 보였다. 비황사 기간에도 DCCA 상관계수가 약한 상관값을 보였으며, PM10과 온도와의 상관성은 모든 지점들에서 양의 상관성을 가졌다. Box size가 240일 때, 가장 뚜렷한 상관값을 보였으며, 8-10일 주기의 종관 기압 패턴의 변화와 관련이 있었다. 습도와의 상관성은 주로 음의 상관성을 보였으며, 이는 수분에 의한 미세먼지의 세정 작용으로 인한 효과로 추정된다. 풍속의 경우 지역별로 상관성을 다르게 보이고 있다. 음의 상관성의 경우, 오염원이 도심 내부에서 생성되었을 때, 희석효과로 인해 오염원이 제거되는 것으로 판단되고, 오염원이 외부에서 유입되었을 때는 양의 상관성을 보이는 것으로 판단된다. 본 연구를 통하여 미세먼지와 기상요소 간의 상관관계를 바탕으로 대기오염 물질의 관리 시스템을 수립하는데 도움을 줄 수 있을 것으로 판단된다.