제주지역 에어로졸 농도의 시공간적 변화 및 에어로졸 화학성분에 따른 복사강제력 영향 연구

Abstract

본 연구에서는 연구기간동안 대기질 측정지점의 시간별 PM10 농도(2001∼2014년)와 애월 대기오염집중측정소의 시간별 PM2.5 화학성분 농도(2013년), 고산측정소의 약 3일 간격 PM2.5, PM10의 화학성분 농도(2010∼2014년) 자료를 이용하여 에어로졸의 농도 및 화학성분 농도의 변화 경향을 분석하였으며(연변화, 월/계절변화, 시간변화), 애월 및 고산 지점의 에어로졸 화학성분 농도를 이용하여 애월 및 고산 지점의 에어로졸 화학성분에 따른 광학특성(OPAC 모델 이용) 및 복사강제력(SBDART 모델 이용)을 산출하였다.

1) 전반적으로 대기질 측정지점의 PM10 농도는 증가와 감소를 반복하였으며 최근 2010∼2014년 동안 농도가 급변하는 모습을 볼 수 있었다. 월/계절변화에서는 봄철에 농도가 높고, 여름철에 농도가 낮게 나타났는데 이는 봄철 황사의 영향과 여름철 많은 강수량/일사량 등 기상요소의 영향인 것으로 판단된다. 도시지역인 대기질 측정지점에서는 주중의 농도가 주말의 농도보다 미세하지만 높게 나타났으며 하루 중 출·퇴근 시간에 농도가 증가하는 모습을 보였다. 애월 및 고산 지점의 에어로졸 화학성분별 농도는 대부분 봄철에 가장 높은 농도를 보인 반면, sea-salt 성분의 농도는 강수량이 적고 풍속이 강한 겨울철(혹은 2013년 여름철)에 높게 관측되었다. 또한 애월 지점에서는 주중의 농도와 주말의 농도가 유사하게 나타나는 시골/배경 지점의 일반적인 농도변화 특성을 잘 나타낸 반면, 고산 지점은 배경 지점임에도 불구하고 주중의 농도가 높게 나타났다. 이는 주중의 관광객 증가 등에 따른 화석연료의 연소가 증가하였을 가능성이 있으며, 이러한 결과는 차후 연구가 필요한 것으로 판단된다. 한편 애월 지점의 PM2.5 시간별 화학성분 농도는 오후에 높은 농도를 보였는데 이것은 태양복사가 강하게 존재하는 오후시간대에 광화학 반응이 활발해져 농도가 증가한 것으로 판단된다(특히, water-soluble 성분).

2) 광학모델(OPAC) 수행을 통해 산출된 에어로졸 화학성분별 광학특성(흡수·산란·소산계수, AOD)은 애월 및 고산 지점에서 모두 water-soluble 성분의 기여도가 가장 큰 것으로 나타났으며(BC의 흡수계수 제외), 각 화학성분별 광학특성의 시간적 변화경향은 각 화학성분 농도의 변화경향과 유사하게 나타났다. 특히 AOD의 경우 농도와 마찬가지로 봄철에 가장 높게 나타났고(sea-salt 성분 제외), 하루 중 낮(12∼15시)에 가장 큰 값을 보였다. 한편, SSA는 흡수의 영향을 결정하는 핵심 매개 변수로 흡수에 가장 관련이 있는 BC 성분의 농도와 반비례하는 관계를 보였다.

3) 대기복사전달모델(SBDART)을 통하여 산출된 애월 지점(2013년)의 PM2.5 총 복사강제력은 SFC, TOA에서 각각 –65, -25 W/m2로 산출되었으며 ATM에서는 +40 W/m2로 산출되었다. 월평균 복사강제력은 농도가 높은 봄철에 가장 크고(특히 5월) 가을철 또는 겨울철에 가장 작게 나타났다. 화학성분 중 기여도가 가장 큰 water-soluble 성분의 복사강제력은 SFC, TOA, ATM에서 각각 -30, -24, +5.9 W/m2로 산출되었으며, 다음으로 기여도가 큰 BC 성분의 복사강제력은 SFC, TOA, ATM에서 각각 -21, +5.7, +27 W/m2로 산출되었다. 한편, SFC, TOA에서 시간별 복사강제력은 계절 또는 화학성분과 상관없이 모두 낮에 가장 크게 나타났는데(TOA의 insoluble 제외), 이는 광화학반응이 활발한 낮 동안에 농도(특히 water-soluble 성분)가 증가함에 따라 복사강제력 또한 증가한 것으로 보인다. 고산 지점에서 연구기간동안(2010∼2014년) PM2.5 및 PM10의 water-soluble 성분에 따른 복사강제력은 2014년에 SFC, TOA, ATM에서 각각 -48, -38, +11W/m2, 각각 -62, -48, +14 W/m2로 가장 크고, 2010년에 각각 -38, -30, +8.7 W/m2, 각각 -50, -39, +12 W/m2로 가장 작게 산출되었다. 한편, 월/계절별 복사강제력은 SFC, TOA, ATM에서 농도가 높은 봄철에 가장 크고 가을철에 가장 작은 값을 보였다. sea-salt 성분의 경우, water-soluble에 비해 매우 작게 산출되었다. 이외에도, 애월 지점에서 시간별 복사강제력은 SFC, TOA에서 모두 계절 또는 화학성분과 상관없이 모두 복사가열이 가장 잘 일어나는 낮(12∼14시)에 가장 크게 나타났다.

본 연구를 통해 제주지역 내 대기질 측정지점 3곳(이도동, 연동, 동홍동)와 시골(애월) 및 배경지점(고산)에서 에어로졸 농도 또는 화학성분 농도의 시간적 변화를 분석하였으며, 시골/배경지점에서 에어로졸 화학성분에 따른 광학특성 및 기후환경변화(복사강제력, 복사가열율)을 산출하였다. 도시지역에 속하는 대기질 측정지점에서는 자연적 에어로졸뿐만 아니라 차량배출가스 등 인위적 에어로졸의 영향이 큰 것으로 보이며, 시골/배경지점에서는 도시지역에 비하여 영향을 덜 받는 것으로 보인다. 또한 에어로졸의 농도변화는 강수량, 일사량, 풍속 등 기상 요소의 영향이 중요한 것으로 판단되며, 에어로졸 화학성분별 광학특성 및 복사강제력은 각 화학성분의 농도 그리고 농도 변화에 기인한 기상요소들이 중요한 것으로 분석되었다. 하지만 제주지역 내 에어로졸 농도의 시공간적 변화 또는 화학성분별 광학특성 및 기후환경변화를 상세하게 분석하기에는 관측망 부족 그리고 시간별 자료의 부재로 많은 한계가 있을 것으로 판단된다. 따라서 향후 제주지역 내 에어로졸 관측망 확충이 요구되며, 에어로졸 광학특성 및 복사강제력에 대하여 보다 정확한 분석을 위하여 여러 기상조건의 영향(민감도 평가 등)을 분석하고 같은 조건에서의 공간적 비교(도시 지역과의 비교)를 할 필요가 있다.

In this study, the temporal and spatial variations of PM10 concentration and aerosol (PM2.5 and/or PM10) chemical components (water-soluble, insoluble, black carbon (BC), and sea-salt) were analyzed at three air quality monitoring sites (Ido-dong, Yeon-dong, and Donghong-dong) during 2001-2014 and Aewol/Gosan sites during 2010-2014, respectively. This study also calculated optical properties using the OPAC model and direct radiative forcing using the SBDART model according to aerosol chemical components at Aewol and Gosan sites. Overall, the PM10 concentration of three air quality monitoring sites were highest in spring and lowest in summer. Also, the weekday PM10 concentrations were higher than the weekend concentrations and the diurnal variations of PM10 concentration showed an increasing trend during rush hour (morning and evening traffic). Meanwhile, the aerosol chemical components at Aewol and Gosan sites, for most aerosol components, reached its peak during spring. PM2.5 chemical components did not change much during the day, but it showed high concentration during the daytime in Aewol due to increased photochemical activity (Especially for the water-soluble). Optical properties (absorption coefficient, scattering coefficient, extinction coefficient, and aerosol optical depth (AOD)) exhibited the highest contribution in water-soluble component at Aewol and Gosan site (except for absorbing BC). The temporal variations of the optical properties for all the aerosol components were similar to those of their concentrations. In particular, the monthly variations of AOD for most of the aerosol components (except for sea-salt) were highest in spring and reached the maximum value during the daytime. Meanwhile single scattering albedo (SSA) was inversely proportional to BC components. The total mean DARFs (direct aerosol radiative forcing) of PM2.5 derived over Aewol site (2013) were –65, -25, and +40 W/m2 at the SFC (surface), TOA (top of atmosphere), and in the ATM (atmosphere), respectively. The impacts of the water-soluble component on the DARFSFC, DARFTOA, and DARFATM, which was the most dominant among 4 chemical components, was –30, -24, and +5.9 W/m2, respectively. In the case of BC, its negative or positive impacts on the DARFSFC, DARFTOA, and DARFATM was -21, +5.7, +27 W/m2, respectively. Meanwhile, at Gosan site (2010-2014), the impacts of the water-soluble component of PM2.5 and PM10 on the DARFSFC, DARFTOA, and DARFATM were highest in 2014 (-48, -38, +11 W/m2 and -62, -48, +14 W/m2, respectively) and the lowest in 2010 (-38, -30, +8.7 W/m2 and -50, -39, +12 W/m2, respectively). On the other hand, in case of sea-salt component, it showed a very small value compared to that of the water-soluble. This study confirmed the aerosol concentration and the impacts of aerosol chemical components on the optical properties or DARF tend to vary according to the time scales. Future studies should analyze the influence of the environmental conditions (e.g. RH) and spatial comparison (urban and remote/rural areas) on optical properties or DARF to better understand the regional or local behavior of the radiative effects of aerosols.