남한지역 biomass burning의 장기변화 분석 및 대형 산불이 에어로졸과 구름응결핵에 미치는 영향 연구

Abstract

본 연구에서는 FINN 배출목록, 통계청, 국립산립과학원에서 제공하는 자료들을 이용하여 최근 20년간(2002∼2021년) 우리나라에서 발생한 생물성 연소(biomass burning, BB) 및 BB 배출량과 산불의 장기변화 추세를 분석하였다. 또한 대형 산불 발생 시(울진 산불, 2022년 3월 4일∼13일) 대기질 모델(CMAQ)의 BFM 기법을 이용하여 BB 배출이 에어로졸 및 구름응결핵(CCN)에 미치는 영향을 평가하였다. 지난 20년간 BB와 산불의 장기변화 추세 분석 결과, BB 발생횟수 및 발생일수, 산불 발생일수는 통계적으로 증가하는 추세를 보였으나, BB와 산불의 연소면적 및 산불 발생횟수는 통계적으로 유의한 추세가 나타나지 않았다. 또한 FINN BB 대기오염물질(CO, PM10, PM2.5, OC, BC) 배출량의 연변화는 점차 감소하는 경향을 보였으나 뚜렷한 추세가 나타나진 않았다. 울진 산불 사례의 주요 영향 범위 내에서 대기오염물질(PM10, PM2.5, SOA) 농도에 대한 BB의 영향 농도(기여도(%))는 평균적으로 각각 약 6.0 μg m-3 (13%), 6.0 μg m-3 (19%), 6.0 μg m-3 (29%)로 추정되었다. 특히 산불 발화점에 인접한 지역(울진 도시대기측정망)에서는 BB에 의한 영향 농도(기여도(%))가 각각 48.9 μg m-3 (68%), 43.1 μg m-3 (79%), 4.8 μg m-3 (57%)로 매우 높게 나타났다. 산불 발생 시 PM2.5 농도의 연직분포 분석 결과, BB 배출에 의해 증가된 PM2.5 농도는 주간 해풍의 영향과 대기경계층 고도 증가 등의 환경조건에 의해 태백산맥을 넘어 내륙으로 확산되는 모습을 보였으며, 내륙의 PM2.5 농도에 미치는 영향은 최대 5∼15 μg m-3 정도로 추정되었다. 이외에도, BB 배출은 산불 발생일 동안 발화점 인근 대기질 관측지점에서 30∼40 nm 크기에 해당하는 CCN의 평균 수농도를 최대 약 11.8배까지 증가시켰다. 해풍에 의한 충분한 수증기 공급이 이루어지는 기상조건에서 이러한 BB 배출로 인한 CCN 수농도의 증가는 응결핵 및 수적 성장을 통해 구름 성장을 유발하고, 결과적으로 강수 발달을 더욱 촉진시킬 수 있을 것으로 사료된다. | In this study, the long-term variations in biomass burning (BB) and its emissions and wildfires in South Korea over the past 20 years (2002−2021) were analyzed using Fire INventory from National Center for Atmospheric Research (FINN) and statistical data provided by the National Institute of Forest Science (NIFoS), respectively. The impacts of BB emissions to aerosol and cloud condensation nuclei (CCN) were also assessed during large-scale wildfire event (near Uljin, March 4−13, 2022) using Community Multiscale Air Quality (CMAQ) modeling system with brute-force method (BFM). The long-term analysis of BB and wildfire occurrences showed statistically upward trends during the study period. On the other hand(whereas), the air pollutants emissions (CO, PM10, PM2.5, OC, and BC) owing to the FINN BB showed no significant trends. In addition, the mean contributions of BB emissions to aerosols (PM10, PM2.5, and secondary organic aerosol (SOA)) reached approximately 13%, 19%, and 29%, respectively, within the main influence area of large-scale wildfire. The largest contributions of BB emissions to their concentrations (68%, 79%, and 57%) were predicted at areas (e.g., near Uljin) that closet to the fire hotspot. As a result of vertical distribution analysis, the increased PM2.5 concentrations owing to BB emissinos was likely to be moved inland regions due to meteorological conditions, such as daytime sea breezes and planetary boundary layer height. BB emissions increased the number concentrations of CCN averaged over wildfire event up to 11.8 times at Uljin air quality monitoring site. As a result, It is emstimated that the increase in CCN number concentration due to BB emissions may cause and increase in condensation nuclei and numerical growth, and may have some influence on the development of precipitation.