대기확산 모델링

과학과 기술의 발달로 인해 컴퓨터의 성능 및 처리속도가 크게 향상됨에 따라 모델링 계산 속도에 의한 제한 요소가 많이 사라지게 되었다. 이에 따라 확산에 대한 이론이 많이 진보하 게 되었고, 새로운 모델이 많이 개발되었다. 또한 일부 모델은 미국 환경보호청(EPA)에서 연 구에 활용할 수 있도록 권고를 하고 있다.

대기확산 모델링은 앞에서 설명한 대기확산 방정식들을 이용하여 오염물질의 거동과 영향 범위, 영향 농도 등을 실제 기상 자료, 지형 자료를 바탕으로 현장 영향 평가를 위해 프로그램 으로 개발된 것으로 현재 상용화 되어있는 대기질 예측모델은 다음과 같다.(Yoo 2020)

Table 5 Type of Air Modeling

Model Features

AerScreen

A straightforward assessment model that

provides the worst-case prediction results that can arise only with discharge conditions and simple elevation data as a screening version of the AERMOD model.

CALINE3

Easy to follow and simulate the effect of continuous line pollutants applying the Pasquill diffusion curve.

CAL3HC/CAL3QHCR

Appropriate for estimating the concentration of pollutants in areas where vehicles are congested, especially at intersections. It requires complex input data.

ISC3 Divided into long-term (ISCLT3) and short-term

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Contaminant half-life and chemical conversion rate, particle gravitational sedimentation, absorption and dry deposition, plume rise and building downwash is considered.

AERMOD

The assumption that the atmospheric state, which was a disadvantage of the ISC3 model, is spatially uniform and the problem of application in complex terrain are supplemented.

It is easy to use for a relatively simple business and is currently the most widely used.

CALPUFF

Using the 3D meteorological field provided because of the meteorological model as input data. It can fully consider complex wind fields and terrain.

CMAQ, CAMX, UAM

Advection, diffusion, and reactions can be considered as the factors that determine the concentration of pollutants that may occur in the atmosphere. Difficult to calculate and operate emissions.

오염물질에 대한 정보가 복잡하거나 미흡한 정보가 있는 경우 배출량 정보를 추정하는 별 도의 프로그램이 활용되어야 하고, 대기질 예측에 영향을 미칠 것으로 예상되는 경우에는 별

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도의 모델을 통해 추정을 해야 한다. 대기질 예측 모델만으로 다양한 경우의 현실을 모사하 는 것은 불가능하기 때문에 현실성 있는 모델링 결과를 산출하기 위해서 다양한 기법이 필요 하다.

2.3.1. WRF 모델

WRF 모델은 미국 국립대기환경연구소(National Center for Atmospheric Research)에서 실제 기상예보에 활용하기 위해 제작한 대표적인 지역 기상모델이다.

WRF 모델은 연직격자로 Eulerian 질량좌표계를, 수평격자로 Arakawa-C 격자체계를 사용하며, 기상에 영향을 미치는 풍향, 풍속, 강우, 기온 등 기상인자의 관계를 질량, 운동량, 엔트로피, 스칼라량 등에 대한 3 차 시간 적분법을 통해 해석하는 플러스 형태의 방정식을 사용한다.

지표면을 가로·세로로 구분한 Eulerian 격자의 높이 방향으로 5~7 개로 구분된 Arakawa-C 격자가 이루는 입체모형의 셀(Cell)에 대하여 공기밀도, 기온, 기압, 습도 등 약 72 개의 기상정보를 바탕으로 셀 내의 기상현상을 예측하고, 공기가 해당 셀에서 다른 셀로 이동하게 되면 그 셀로 유입되는 공기 특성에 대한 정보를 다시 입력하여 차위의 셀에 대하여 기상현상을 예측하는 형태로 진행한다.

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Figure 4 WRF Modeling System Flow Chart

2.3.2. ISC3 모델

대기오염물질 확산을 표현하는 기본 모델인 가우시안 모델의 발전된 모델이며, 미국에서는 사업장의 배출시설 허가 및 환경영향평가 등에서 주로 사용되고 있다.

ISC 모델의 물질 확산계산은 정적 계산에 해당되지만 기상모델과 접목하여 바람의 방향, 세기 등 기상자료를 연속정보로 입력하는 경우 사실상 오염물질 분포는 동적해석이 가능하고, 단기 모델과 장기 모델로 구분되지만 사업장에서 배출되는 오염물질의 확산을 모사할 때에는

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일반적으로 단기 모델이 사용되며, 장기 모델이 필요한 경우에는 통상적으로 다른 개발된 다양한 다른 모델이 사용된다.

점배출원, 비점배출원, 건성침적, 습윤 침적, 지면 스크리닝 기법 등의 모듈로 구성되고, 점배출원 모듈은 가우시안 모델을 근간으로 풍하 방향으로 가로확산 및 세로확산이 모두 정규분포 함수라고 가정하고 공간의 각 지점에서의 오염물질 농도를 산정한다.

배출된 오염 물질은 바람의 방향에 따라 풍하 방향과 횡방향으로 확산되면 좌표의 각 지점(x, y, z)에서의 오염물질의 농도가 시간의 함수로 표현한다.

확산 수준은 파스킬 안정도 분류별 풍하 방향의 거리가 지수함수 형태로 적용되며, 풍속은 고도에 따라 다르기 때문에 고도별 풍속이 공기의 안정도 분류의 함수로 적용한다.

배기가스와 대기의 온도차에 의한 부력 배출과 관성에 의한 배출도 대기안정도가 불안정, 중립, 안정의 각 경우별로 배출속도의 함수로 표현되며, 이를 통해 굴뚝 높이 이상으로 상승하여 확산되는 배기가스의 실제 확산높이를 산정하여 반영한다.

배기가스의 배출속도와 풍속의 상관관계를 통해 굴뚝 끝에서의 와류 및 건물이 인근에 위치하여 발생하는 와류를 확인할 수 있다.

2.3.3. CMAQ 모델

EPA 에서 개발한 광역 대기질 예측 모델로서, 기본 모듈에서 최소 해상도가 3km*3km 이다.

모델링을 수행할 구획인 도메인을 설정하고 최소 3km*3km 의 격자로 세분화한 후, 각 격자에서는 오염물질이 완전 혼합한다고 가정하고 오염물질의 배출, 기상인자의 변화 등을

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통해 도메인 전체에 대하여 각 격자에 따른 오염물질의 농도차이를 분석한다. 기상모델에서 사용되는 격자체계를 동일하게 이용하며, 격자로 구성된 도메인에 대해 가장 끝에 위치한 격자부터 도메인 외부에서 격자로 들어오는 오염물질 초기조건(ICON, Initial Condition) 및 경계조건(BCON, Boundary Condition)을 설정한다. 격자로 유입되는 물질, 격자 내의 배출원으로부터 배출되는 물질, 각 물질이 광화학 반응으로 생성·소멸과정 등이 계산되고 기상정보에 따라 풍하 방향의 다른 격자는 그것을 다시 초기조건 및 경계조건으로 인식하여 격자 내 오염물질 농도를 계산하는 방식으로 수행한다. 광역 모델이므로 미세 지역의 오염물질 분포를 예측하기 보다는 기상현상, 광화학 반응 등을 충실히 반영하여 현실에 근접한 모사가 가능한 것이 특징이다.

Figure 5 CMAQ Modeling System

2.3.4. CALPUFF 모델

CALPUFF 모델은 배출되는 연기가 퍼프(Puff) 로 배출된다고 가정하고, 시간 및 공간에 따른 바람장의 변화를 퍼프의 이동에 고려할 수 있는 비정상상태 모델이다.

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정상상태 모델인 ISCST3 나 AERMOD 보다 정확하게 시간에 따른 풍향 및 풍속의 변화를 확산에 반영할 수 있다.

점, 면 오염원에 대하여 시간적 농도를 계산할 수 있고, 오염원으로부터 수십 미터에서 수백 킬로미터까지 모델링이 가능하고, 복잡한 지형에서도 강점이 있어 원하는 주기에 대해 농도 예측 가능하다는 장점이 있다.

CALPUFF 모델링 시스템은 CALMET, CALPUFF, CALPOST 및 기상과 지형 처리 프로그램으로 구성되어진다.

- (CALMET) 3 차원 격자 모델링 영역에서 시간별 바람장 및 온도장을 생성하는 기상모델로서 혼합고도, 지표특성, 확산 특성과 같은 2 차원 자료 또한 CALMET 을 통해 생성

- (CALPUFF) 오염원으로부터 배출된 퍼프를 확산 프로세스를 통해 모사하는 확산, 수송 모델로서 CALPUFF 의 일차적인 결과에는 특정 지역에서의 시간별 농도나 시간별 침적 플럭스(deposition fluxes)중 하나를 포함

- (CALPOST) 특정 지역에서의 시간별 농도나 침적 플럭스(deposition fluxes) 결과를 처리