차 생성물질의 변화와 미세먼지농도의 관계는 충분히 연구되지 않아 과학적 프 2
로세싱으로 논의하기 어려운 점이 있으나 현재까지 발표된 연구문헌의 내용과 경 험적으로 합치되는 부분들을 연계하여 예보에 참고할 내용들을 검토하였다.
가. 기체상 물질 등의 입자화에 관한 검토
서울시의 미세먼지농도에 영향을 미치는 기체상 물질은 질산염(NO3
-과 황산염 )
(SO4
2-암모늄염 ), (NH4+
으로 대별될 수 있으며 그 밖에도
) EC(Elemental Carbon), 미량의 금속성분과 염소 OC(Organic Carbon), VOCs(Volatile Organic Compounds),
(Cl-) 등이 있다.
이러한 기체상 물질들은 화학적 변환과정을 거쳐 미세먼지의 총량을 크게 증가 시키는 것으로 보고되고 있는데, 특히 서울의 경우 중국 등 서해 쪽에서 유입되는 기체상 물질로 인해 미세먼지 총량의 약 40% 내지 50%가 증가되는 것으로 연구되 었다. 또한 이러한 오염영향의 계절별 부하량이 다르고 기류의 혼합정도에 따라 미세먼지농도에의 기여도가 달라져 특정기간의 미세먼지예보에 있어 중요한 변수 로 작용되고 있다.
모델을 이용한 이산화질소
Eulerian Box (NO2)의 영향분석을 보면 HNO3, N2O5, H2SO4, OH 등의 기체상 물질과, NO3
-, SO4
2-, NH4+
등 입자상물질의 경우 NO2의 농도 변화에 따라 영향을 받는 것으로 나타났다. NH3의 분압이 고정되는 것으로 할 경우 대기 광화학반응에 의해 생성되는 HNO3는 NH3와 HNO3의 분압의 곱이 평형상수값을 초과하게 되면 초과분의, HNO3가 입자상 Nitrate로 전환되어 평형상태를 이루는 경 향으로 반응하게 된다. HNO3, N2O5, NO3 중 HNO3의 생성은 낮에 활발하여 입자상
를 형성하는 주요기작이 되며 밤에는
Nitrate , N2O5, NO3 에 의해 입자상물질이 형 성되나 낮에 발생되는 양보다 적어지는 것으로 보고되었다.
HNO3(g) + NH3(g) NH4NO3(p)
반면, OH 라디칼은 NOx 농도가 감소할수록 높은 농도를 보이며, H2SO4의 생성량 을 증가시키고 SO4
2-의 생성량을 증가시키는 것으로 나타났다. 즉, NOx의 농도감소
는 입자상 Sulfate를 증가시키는 결과를 가져오고, 입자상 Sulfate 형성 시 대기 중 NH3는 Sulfate의 중화를 위해 입자상으로 유입되게 된다.
2H(p)+SO4
2-(p) + NH3(g) (NH4)2SO4(p)
Season Spring Summer Fall Winter 저감효과 0.038 0.225 0.047 0.067 Table 4.62. 질소산화물 감축 영향 (단위 :㎍/m3, kton/year)
Table 4.62와 같이 대기 중 반응에 의한 정량분석결과는 질소산화물의 배출량을 저감시킴에 따라 계절별로 차이가 있으나 겨울에는 8%에서 여름 52%까지 미세먼지 저감효과를 보일 수 있으며 평균적으로 18%의 저감효과가 예측되었다.
Season
Species Spring Summer Fall Winter SOx 0.077 0.147 0.063 0.090 NH3 0.656 5.108 0.629 0.535
황
Table 4.63. 산화물 감축 영향 (단위: ㎍/m3, kton/year)
과 같이 아황산가스
Table 4.63 (SO2)의 배출량을 저감시키는 경우 미세먼지는 에서 의 저감효과를 볼 수 있으며 암모니아는 겨울 에서 여름 로
0.8% 2.7% , 3.5% 65%
평균 19.7%의 저감효과를 나타낼 수 있는 것으로 보고되었다.
나. 2차 생성 미세먼지의 영향 예측
Table 4.64에 나타낸바와 같이 미세먼지농도에 영향이 큰 물질은 NH3이며 SO2는 비 교적 낮은 영향물질로 보고되었는바, 여름에는 NH3를 감소시키는 것이 가장 효과적 으로 보고되었다. 그러나 현재까지 NH3에 대하여 주기적으로 농도측정이 이루어지 지 않아 미세먼지 생성에 대한 영향도를 직접적으로 파악하기 어려우며, 지역의 배출량 산정에 있어서는 자동차 부문에서 가장 많이 배출되는 것으로 조사되었다.
따라서 암모니아의 독립적 영향을 예측하여 먼지예보에 적용하기는 어려울 것이 나 이와 반응하여 염류를 형성하는 NOx, SOx 등의 물질의 농도와 황산염(SO4
2-이나 ) 질산염(NO3
-의 농도를 간접적으로 참고하여야 할 것이다
) .
실제로 측정이 진행되는 항목은 NO2와 SO2이나 미세먼지 중 약 40% 내지 50%가 외부에서 유입되는 2차 입자상물질이고 황산염류는 반응시간이 비교적 길어 염류 로 형성된 후 유입되는 것으로 추정되므로 미세먼지농도 예보에 있어서 지역적 영 향은 NO2를 주시할 필요가 있을 것이다.
화학적 분압평형을 감안하고 서울지역에서의 NO2가 고농도인 점을 고려하면 지역 내에서 암모니아가 배출되는 경우 NO2는 추가로 입자상물질로 전환될 가능성을 배 제할 수 없다. 결론적으로 암모니아의 저감은 입자상물질의 저감효과로 이어질 수 있다고 보아야 할 것이며 이를 줄이기 위한 방안으로 자동차 등 도로이동오염원의 저감방안이 유효할 것으로 추정되며, 먼지예보에 있어 지역교통량 뿐만 아니라 수 도권 전체의 교통량 증감을 유효한 변수로 고려해야 할 것이다.
구 분 CO NOx SOx TSP PM10 VOC NH3
2005 CAPSS
서울 127,938 59,170 714 3,009 3,009 20,634 1,913 인천 30,761 22,354 258 1,314 1,314 5,701 470 경기도 103,299 96,318 1,161 5,445 5,445 17,998 2,577 Table 4.64. CAPSS의 배출량 산정 (단위 : ton, year)
년부터 서울시에서 시행한 미세먼지 상세모니터링을 통한 미세먼지 특성연 2007
구의 중간보고 외 많은 수용모델링을 통한 연구에서 서울시 미세먼지농도에 가장 크게 기여하는 배출원은 2차 생성입자로 판단되고 있는데, 개략적으로 40% 이상이 대기 중에서 생성되는 입자로 추정하고 있다. 더구나 백령도의 미세먼지 연평균 농도가 50㎍ ㎥/ 인 점을 들어 2차 생성입자도 외부의 영향이 크게 작용하는 것으로 판단하고 있다.
서울지역 미세먼지농도에의 배출원별 기여도 입력 배출원
Fig. 4.70. .( 9)
이처럼 2차 생성입자의 영향이 큰 서울의 경우 미세먼지농도는 풍향에 의해 많 은 영향을 받을 수밖에 없는데, 서풍이 주로 불어오는 겨울철과 봄철에 먼지농도 가 높은 이유를 중국 등에서의 유입되는 오염물질과 수도권 서부지역의 영향이 큰 것으로 추정해볼 수 있다. 따라서 서울의 미세먼지예보는 풍속에 의한 영향보다 풍향에 의해 절대적인 지배가 있음을 상정해볼 수 있고, 이는 경험적 추리와 근접 되는 것으로 보인다.
4. 2. 미세먼지 예보를 위한 고찰 및 결과
계절별 기상요인의 영향 1.
미세먼지의 생성과 농도변화에 영향을 미치는 요인들에 대하여 살펴보았으나 특 정한 요인이 항상 동일하게 영향을 미치는 것은 아니며, 영향변수들 사이에도 상 당한 관련성이 존재하여 하나의 변수에 전적으로 의존하여 미세먼지농도의 예보를 하는 것은 어려움을 알 수 있다. 예보모델의 적중률에서 보듯이 다변량의 1차 함 수로 구성되는 회귀모델은 신경망모델에 비하여 적중률이 낮아 다양하고 복잡하게 변화하는 영향변수가 특정 함수식에 의해 규정되어지는 것은 어려움이 나타난다.
현재까지 연구된 성과에 의해 적용되어지는 영향인자는 풍속 등 기상항목과 2차 입자를 생성할 수 있는 기체상 오염물질 등 9개의 변수를 독립변수로 활용하고 있 으나, 이들 변수 간에도 다중공선성이 존재하는 것으로 판단된다. 이렇듯 현상은 모두가 규명될 수 없는 것으로, 추적(Tracing)과 예측(prediction)이 가능한 것은 일부의 유형들에 대해서 일 뿐이며, 이에 대해 관찰(Observation)과 이해가 가능 하다고 판단하여야 하는 조건부 일반화에 따를 수밖에 없을 것이다.
위에서 영향변수의 상관성과 작용특성을 본 바와 같이 일정량 이상의 강우는 미 세먼지농도를 줄이는 방향으로 작용되며, 풍향은 서풍과 동풍의 영향이 극명하게 나뉘는 것으로 볼 수 있다.
Date 2007. 1. 31일 2007. 2. 1일
time 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 1:00 22:00 23:00 0:00 2:00 3:00 4;00 5:00 6:00 Rain(mm) 3.00 6.00 2.50 0.10
PM10 65 66 73 75 80 75 57 56 57 58 62 59 60 59 일
2007. 11. 25 2007. 11. 26일
time 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 24:00 01:00 02:00
Rain(mm) 0.7 1.3 0.3 0.5
PM10 98 103 99 93 97 107 105 98 94 100 98 일
2007. 12. 9 2007. 12. 10일
time 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 22:00 23:00 24:00 1:00 2:00 3:00
Rain(mm) 0.00 0.20 0.10
PM10 46 48 51 50 50 49 48 48 48 50 52 48 48 시간별 미세먼지농도 변화
Table 4.65.
와 같이 강우일은 년부터 년 년간 평균 인 일로서 일 Table 4.65 2005 2007 3 40% 145
강우량이 0.1mm 이상인 날은 286일, 1mm 이상인 날은 130일에 불과하였는데, 미세 먼지 등 대기오염물질의 세정효과가 나타날 수 있는 강우량의 절대량을 보기 위하 여 강우가 있었던 시간 후의 PM10의 농도추이를 보았다.
와 같이 겨울철의 경우 미세먼지농도가 오히려 상승하는 추이를 Fig. 4.71, 4.72
나타냈는데, 강우량이 6.0mm인 경우('07.1.31 )일 와 1.5mm인 경우('07.12.9일 에도) 다음 시간대에 미세먼지농도는 높아졌으며, 강우량이 0.3mm('07.11.25 ),일 일 일 로 낮은 경우에도 미세먼지농도가 낮아지 0.5mm('07.11.26 ), 0.1mm('07.12.10 )
는 현상이 나타났다.
Fig. 4.71. 강우량 1.0mm 이하 시 미세먼지농도.('07. 11 ~2 )월 월
강우량 이하 시 미세먼지농도 월 월
Fig. 4.72. 1.0mm .('07. 11 ~12 )
일
2007. 5. 10 2007. 5. 11일
time 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 0:00 1:00 2:00 3:00 Rain 6 7 9 10.5 7 3.5 2 0.5 0 0.5 PM10 78 84 83 83 84 85 88 85 86 83
wind-direction SW W W W W W SW WsW WsW WsW
시간별 강우량과 미세먼지농도 변화 서풍시
Table 4.66. ( )
과 같이 봄철에도 겨울철과 유사하게 강우량이 인 날에도
Table 4.66 14mm
일 미세먼지농도는 에서 높아졌고 연속하여 강
(‘07.4.6 17:00) 48㎍ ㎥/ 51 /㎍ ㎥ ,
우가 있고 시간 강우량이 10mm를 초과하는 경우에도(‘07.5.10 ~11 )일 일 미세먼지 농도가 변화가 없거나 미세한 상승이 있었는데, 이는 오염도가 높은 서풍이 주 풍 향으로 지속되면서 강우에 의한 세정효과보다 유입오염도의 영향이 크게 작용되었 던 것으로 추정된다.
date 2007. 7. 9일 2007. 7. 10일 time 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 21:00 22:00 24:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00
Rain 0.5 0.0 0.5 12.
0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.5 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 PM10 38 30 26 29 27 27 29 25 23 25 23 19 16 13 13 10
wind-direction ESE ESE ESE ESE ESE ESE ESE ESE ESE ESE ENE ESE ENE ENE ENE ENE 여름철 강우량에 따른 시간별 미세먼지농도 변화 동풍시
Table 4.67. ( )
과 같이 여름철에는 의 소량의 강우가 있었던 경우 Table 4.67, Fig. 4.73 0.5mm
에도(2007.7.9일) 미세먼지농도는 38㎍ ㎥/ 에서 30㎍ ㎥/ 으로 20% 가량 낮아졌으며, 의 강우가 있었던 때와 지속적으로 강우가 있었던 시간대에 미세먼지농도는 12mm
수준까지 낮아졌는데 이때의 주 풍향은 동남동풍 및 동북동풍이 영향을 미친 1/4
것으로 나타났다.
여름철 강우량에 따른 시간별 미세먼지농도 변화
Fig. 4.73. .(2007.7.9)
date 2007. 10. 10일 2007. 10. 22일 time 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 24:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00
Rain 0.0 0.5 4.5 17.0 0.0 0.2 0.1
PM10 45 50 49 53 51 55 55 52 47 76 81 86 79 74 74
wind-direction NW NNE NNE ESE NNW ESE NW NW W SW W WNW SW SW SW 강우량에 따른 시간별 미세먼지농도 변화 동풍 서풍
Table 4.68. ( & )
Fig. 4.74. 강우량에 따른 시간별 미세먼지농도 변화.(2007.10.10 , 22 )일 일
Table 4.68, Fig. 4.74와 같이 가을철에는 불규칙한 양상을 나타냈는데, 강우량 이 4.5mm ('07.10.10일 인 경우 다음 시간대의 미세먼지농도는) 49㎍ ㎥/ 에서 53 /㎍ 으로 높아졌으며, 연속하여 17mm의 강우가 있은 후 미세먼지농도는 53 / 에서
㎥ ㎍ ㎥
으로 낮아졌다가 다시 다음 시간대에는 으로 재 상승되었다 이때
51 /㎍ ㎥ 55㎍ ㎥/ .
주 풍향은 북북동풍 및 동남동풍이 작용하였으며, 재상승시에는 북북서풍이 작용 하는 등 복잡다단한 기상조건이 나타났다.
년 월의 경우에도 시간당 강우량이 경우 미세먼지농도는 점차 상승
2007 10 0.2mm
하였으며, 2시간 후 0.1mm의 강우가 있은 후 다시 낮아졌는데 이때의 주 풍향은 모두 남서풍 또는 서풍 서북서 풍이었다, .
이와 같이 미세먼지농도를 낮출 수 있는 절대적인 강우량을 설정하는 것은 계절 별로 다르고 다른 기상조건의 작용 등에 의해서도 다를 수 있어 대체적인 강우의 효과특성을 짐작할 수는 있으나, 다양하게 변화하는 기상에서 동일한 영향을 산정 하는 것은 매우 어렵다는 점을 알 수 있다.
풍속은 통상적으로 미세먼지농도를 낮추는 영향을 미치는 것으로 평가되나 황사 나 높은 오염도의 기류가 유입되는 경우 반대의 효과가 나타날 수 있다. 위에서 살펴본 바와 같이 풍향과의 관계가 밀접하게 연계되는데 풍속이 높은 경우라도 풍 향이 서풍 계열이 주풍향인 경우에는 미세먼지농도가 하향 일변도를 나타내지는 않고 있으며, 풍속이 비교적 낮은 경우라도 동풍 계열의 영향을 받는 경우에는 미 세먼지농도를 낮추는 영향이 있는 것으로 보인다. 다만, 풍속이 4m/s 이상으로 높 은 경우 황사 등 특별한 경우가 아니면 미세먼지농도가 100㎍ ㎥/ 을 초과하지 않고 있어 계절별 풍향 특성을 감안하면 풍속의 영향을 미세먼지농도와 역방향으로 짐 작할 수 있다.
다음으로 상대습도는 미세먼지농도를 높이는 영향이 큰 것으로 평가되는데 특히 겨울철과 봄철에 미세먼지농도를 증가시키는 방향으로 작용되며 여름철에는 강우 가 있는 경우 상대습도가 높아져 대기의 세정효과 여부를 살펴보아야 할 것으로 판단된다. 강우가 없는 경우에는 기체상 물질이 입자화되는 경향이 크게 나타나는 것으로 보고된 바와 같이 PM2.5 이하의 극 미세입자의 증가속도가 커지는 점을 주 시해야 할 것으로 보이며, 기체상 오염물질의 양이 유사한 상태에서 상대습도가 증가하는 경우는 풍속이 낮게 유지되는 기상조건으로서 미세먼지농도도 증가하는