Analysis of Horizontal Spatial Distribution of Particulate Matter Using Scanning LiDAR

Abstract

미세먼지는 세계보건기구(WHO)에 의해 1급 발암물질로 분류되는 대기오염물질로서, 그의 유해성과 위험성을 감안하면, 이를 효과적으로 관리하고 감시하는 것이 국가적으로 중요한 과제이다. 현재 국가는 지점별 모니터링 시스템인 대기오염 측정망을 통해 이를 관리하고 있지만, 이런 시스템에는 자체적인 한계가 존재한다. 본 연구에서는 이를 보완하고자 반경 5km의 영역을 30분 이내에 30m의 고해상도로 PM2.5 의 질량농도를 산출할 수 있는 Scanning LiDAR 기술을 제안하고자 한다. 본 연구는 3, 4, 11월의 부산항만과 10, 11월의 시화공단에서 장기간 동안 실시간 연속 관측을 수행하였다. 먼저 관측된 데이터를 활용하여 관측 범위 내에 위치한 공인 측정망의 데이터와 비교분석하여 상관성 분석을 실시하였고, 그 수치는 신뢰할 만의 수준임을 확인하였다. 이후 관측 범위 내에 위치하는 부산항만과 시화공단 지역을 세분화하여 분석 구역을 나누었다. 이번 연구에서는 미세먼지 질량농도의 변화 추세를 구역별로 상세하게 분석하였다. 시간의 흐름에 따른 질량농도 흐름, 풍향과 풍속이 미치는 영향, 그리고 시간대별 평균 질량농도의 변화를 각각 살펴봄으로써, 보다 정밀한 미세먼지 변화 패턴을 이해했다. 이런 분석 방법을 통해, 각 구역별 미세먼지의 특성과 변화 추세를 성공적으로 파악하였다. 특히, 일부 구역에서는 다른 지역에 비해 PM2.5 질량농도가 상당히 높게 나타났고, 풍향 변화에 따라 주변 지역에 미세먼지가 퍼질 가능성을 확인하였다. 또한, 시간대에 따른 PM2.5 질량농도 변화를 살펴본 결과, 전반적으로 야간에 미세먼지 질량농도가 증가하고 주간에는 감소하는 패턴을 확인하였다. 특히 시화공단 지역에서는 야간에 특정 구역에서 상대적으로 많은 미세먼지 배출이 의심되는 결과를 도출하였다. 따라서, 본 연구의 결과는 스캐닝 라이다의 활용이 항만 및 공단 지역의 미세먼지 감시에 효과적임을 보여주며, 이를 통해 현재의 미세먼지 감시 체계를 강화하는 동시에 과학적 근거에 기반한 대기질 관리 정책 수립에 중요한 기여를 할 수 있음을 시사한다. |Fine particless, classified as a Class 1 carcinogen by the World Health Organization (WHO), are an air pollutant. Considering their harmfulness and dangers, it is a nationally important task to manage and monitor them effectively. Currently, the country manages them through the air pollution monitoring network, a point-by-point monitoring system, but this system has inherent limitations. In this study, we aim to propose Scanning LiDAR technology, which can produce the mass concentration of PM2.5 with a high resolution of 30m within 30 minutes in a radius of 5km, to complement this. This research conducted long-term, real-time continuous observations in the Busan port in March, April, and November and in the Siwha industrial complex in October and November. First, using the observed data, we performed a correlation analysis by comparing and analyzing the data from the public measurement network located within the observation range and confirmed that the value is at a trustworthy level. Subsequently, we divided the Busan port and Siwha industrial complexes located within the observation range into smaller areas for analysis. In this study, we conducted a detailed analysis of the trend of fine particles mass concentration for each area. By examining the mass concentration flow over time, the impact of wind direction and speed, and the changes in the average mass concentration by the time of day, we understood more precise patterns of fine particles changes. Through this analysis method, we successfully grasped the characteristics and trends of fine particless in each area. Notably, in some areas, the PM2.5 mass concentration appeared considerably higher than in other areas, and we confirmed the possibility of fine particless spreading to nearby areas due to wind direction changes. Furthermore, upon examining the changes in PM2.5 mass concentration according to the time of day, we confirmed a pattern where fine particles mass concentration generally increases at night and decreases during the day. Especially in the Siwha industrial complex area, we derived results suggesting considerable fine particles emissions in certain areas at night. Therefore, the results of this study demonstrate that the use of Scanning LiDAR is effective in monitoring fine particless in port and industrial complex areas. It suggests that it can make a significant contribution to the establishment of air quality management policies based on scientific evidence while strengthening the current fine particles monitoring system.