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제주도 배경 및 도심지역의 온실가스에 의한 기후환경 변화 연구

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Alternative Title
A Study on Climate Environmental Change due to Greenhouse Gases at Background and Urban Center sites on Jeju Island: Comparison between Radiative Transfer Model and Simplified Expressions
Abstract
본 연구에서는 최근 6년(2010∼2015년)동안 제주도 배경지점(고산)과 도심지점(연동)에서 온실가스(CO2, CH4, N2O)에 의한 복사강제력을 IPCC 보고서에 제시된 단순화된 복사강제력 추정식과 3차원 복사전달모델인 SBDART model을 이용하여 산출하였고, 평균 기온변화는 복사강제력과 기온변화의 선형관계식을 이용하여 산출하고 그 결과를 비교 분석하였다. 또한, 한반도와 다른 아시아 배경 지점 및 대표적인 지구대기감시관측소 Mauna Loa와의 기후환경 변화를 비교 분석하기 위해 온실가스 농도 변화와 그에 따른 복사강제력 및 평균 기온변화를 살펴보았다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.

1) 연구기간(2010∼2015년) 제주도에서 CO2 농도는 전반적으로 고산보다 연동지점에서 높게 나타났으며, 두 지점에서 모두 증가하는 추세를 보였다. 고산과 연동지점에서 CO2 농도는 전반적으로 봄철과 겨울철에 농도가 높게 나타났으며, 다음으로 가을철, 여름철 순서이다. 겨울철에 주거, 상업 지역 등 여러 지역에서 난방 사용이 증가하여 CO2 농도의 증가했고, 여름철에는 식물의 광합성 작용이 활발해져 상대적으로 낮은 농도를 보였다. 고산과 연동지점의 주중과 주말의 CO2 농도를 분석한 결과, 고산지점에서는 주중보다 주말에 약간 높게 나타났으며, 연동지점에서는 주말보다 주중에 다소 높게 나타났다. 시간별 CO2 농도는 두 지점에서 모두 주저야고의 특성을 보였으나, 연동지점이 고산지점에 비해 그 차이가 훨씬 뚜렷하게 나타났다. 이는 도심지인 연동은 주중과 오후-야간시간대에 인간 활동에 의한 인위적인 영향을 받지만 외곽지인 고산은 주로 항상 인위적인 영향을 받기 때문이다.

2) CO2에 의한 평균 복사강제력은 연동이 고산지점보다 높게 산출되었는데, 이는 인구 증가와 그에 따른 인간활동(화석연료 사용)으로 인한 연동의 CO2 농도 가 더 높아졌기 때문이다. 모델에 의해 모의된 고산과 연동의 평균 복사강제력은 각각 2.19(1.16∼2.71 W/m2), 2.21(1.22∼2.82 W/m2)으로 추정식에 의해 산출된 평균 복사강제력 1.94(1.82∼2.08 W/m2), 1.98 (1.68∼2.41 W/m2)에 비해 11, 13% 높았다. 월별 복사강제력을 살펴본 결과, 추정식보다 모델모의 결과에서 계절특성이 뚜렷하게 나타났는데 이는 연구 대상지역의 고도에 따른 기압, 기온, 오존 등을 고려했기 때문이다. 특히, 성층권의 오존은 자외선을 흡수하는 성질이 있어 오존농도가 높을수록 지표에 도달하는 태양에너지가 줄어든다. 따라서 성층권에 오존량에 따라 하향 복사에너지가 달라지며, 그에 따라 다시 방출되는 상향에너지도 달라진다. 여름철에는 상층 오존의 농도가 높음에 따라 자외선이 차단되어 지표에 도달하는 양이 줄어들게 되고, 그에 따라 지표에서 다시 외부로 방출되는 에너지 또한 줄어들어 복사강제력 값이 낮게 모의되었음을 상관성 분석을 통해서 확인할 수 있다. 본 연구에서는 한반도의 오존 연직분포 관측지점이 한정되어 있기에 포항지점의 오존 연직분포 자료를 이용하였는데, 향후에는 고산 및 연동 지점에서 오존 연직분포 관측을 실시할 경우 더 정확한 복사강제력을 모의할 것 로 기대된다.

3) 한반도와 아시아 배경지점 및 지구급 관측소인 Mauna Loa의 온실가스 농도 변화를 분석한 결과 다른 배경지점에 비해 한반도에서 온실가스 농도가 비교적 높게 나타남을 알 수 있었다. 추정식에 의해 산출된 월평균 복사강제력의 경우, 전반적으로 봄철에 높았으나, 반면 모델에 의해 모의된 복사강제력은 겨울철에 높게 산출되었다. 이는 모델을 모의할 때는 지리적 위치와 시간에 따라 SZA이 내부 알고리즘에 의해 계산되고, 표면 알베도 등이 반영되어 월별 특성이 나타난 것으로 사료된다. 본 연구에서 3차원 복사전달모델을 이용하여 산출된 복사강제력 분석은 단순화된 추정식의 한계점을 보완하여 연구 대상지점의 기후환경 변화를 상세하게 파악할 수 있다. 추정식은 전 지구적 대기 특성을 보편화시켜서 하나의 상수로 적용하므로 연구지역 고유의 특성을 잘 반영하지 못한다는 한계점이 있다. 복사 전달모델의 경우, 대기프로파일을 고려하지 않을 경우보다 고려하였을 때 더 정 확한 결과를 산출할 수 있다. 따라서, 보다 정확한 복사강제력을 산출하기 위해 서는 연구지역의 대기 프로파일을 고려하여 복사전달모델을 수행하여야 한다. 본 연구수행의 결과로, 우리나라에서 온실가스에 의한 기후환경 변화를 예측하는데 참고가 될 것으로 보이며, 대응방안 마련에 기초적인 자료로 활용될 것으로 기대된다.
In this study, The temporal variations of CO2 concentrations and radiative forcing (RF) due to greenhouse gas (CO2, CH4, and N2O) were examined at background sites (Gosan) and urban center (Yeon-dong) during 2010-2015 in Jeju area. Overall, annual mean CO2 concentrations at Yeon-dong and Gosan sites have gradually increased, and higher concentrations (401-422 ppm) at Yeon-dong than those (398-407 ppm) at Gosan. The maximum CO2 concentrations at the two sites were observed in winter or spring, followed by fall and summer, with higher concentrations at Yeon-dong. The RFs at the two sites were estimated based on simplified expressions for calculating RF for the study period. The radiative transfer model (Santa Barbara DISORT Atmospheric Radiative Transfer, SBDART) was then used to compare with changes in the RFs calculated from the simplified expressions for greenhouse gas. Radiative forcing for CO2 calculated from the simplified expressions at Gosan and Yeon-dong during 2010-2015 were 1.94 and 1.98 W/m2 respectively. Radiative forcing for CO2 simulated by the SBDART at Gosan and Yeon-dong during 2010-2015 were 2.18 and 2.20 W/m2 respectively. The CO2 RF simulated by the SBDART was about 12∼13% higher than that of the simplified expression, on average. Unlike the simplified expressions, the SBDART model utilized meteorological conditions such as vertical atmospheric profile (atms. dat) and surface albedo of the study area (i.e., Jeju). Therefore, it is to expect that the results simulated with the SBDART will be more realistic than those derived from the simplified expressions. The RF by CO2 at Yeon-dong (2.11-2.41 W/m2)was higher than that at Gosan (2.10-2.29 W/m2), possibly because of higher CO2 concentrations at Yeon-dong resulting from population growth and human activities (e.g., fossil fuel combustion). The highest mean RFs at Yeon-dong (approximately 2.82 W/m2) and Gosan (2.71 W/m2) occurred in Mar 2015 (Yeon-dong) and Apr 2011 (Gosan), whereas the lowest RFs (1.22 and 1.31 W/m2, respectively) in fall 2011 (Yeon-dong) and summer in 2012 (Gosan). We analyzed the change in greenhouse gas concentrations in the Korea, Asia background sites and global atmosphere watch observatory (Mauna Loa). Greenhouse gas concentrations were relatively high in Korea compared to other background sites. The highest monthly mean RFs by simplified expression was observed in spring, whereas the highest monthly mean RFs by SBDART was simulated in winter. The SBDART model utilized surface albedo and solar zenith angle of the study area. As a result, monthly characteristics appeared.
Author(s)
이수정
Issued Date
2017
Awarded Date
2017. 2
Type
Dissertation
URI
http://dcoll.jejunu.ac.kr/jsp/common/DcLoOrgPer.jsp?sItemId=000000007991
Alternative Author(s)
Soojeong Lee
Affiliation
제주대학교 일반대학원
Department
대학원 지구해양과학과
Advisor
송상근
Table Of Contents
제 1 장 서 론 1
제 2 장 재료 및 방법 5
2.1. 연구방법 및 자료 5
2.2. 단순 추정식과 모델 구성 8
2.2.1. 단순화된 추정식 8
2.2.2. 대기복사전달모델 10
제 3 장 결과 및 고찰 14
3.1. 제주도 배경 및 도심지점에서의 온실가스 농도 변화 분석 14
3.1.1. 연변화 및 월/계절 변화 14
3.1.2. 주중/주말 및 시간 변화 25
3.2. 제주도 배경 및 도심지점에서의 복사강제력 및 기온변화 28
3.2.1. 단순 추정식을 이용한 복사강제력 및 기온변화 산출 28
3.2.2. 대기복사전달모델을 이용한 복사강제력 및 기온변화 산출 33
3.3. 아시아 배경지점의 온실가스 농도 변화에 따른 복사강제력 및 기온변화 비교 42
3.3.1. 온실가스 농도변화 분석 42
3.3.2 대기복사전달모델을 이용한 복사강제력 및 기온변화 비교 47
제 4 장 요약 및 결론 55
참 고 문 헌 58
Abstract 63
Degree
Master
Publisher
제주대학교 일반대학원
Citation
이수정. (2017). 제주도 배경 및 도심지역의 온실가스에 의한 기후환경 변화 연구
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Faculty of Earth and Marine Convergence > Earth and Marine Science
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