표제지
목차
요약문 3
제1장 서론 14
제2장 연구 내용 및 결과 16
제1절 연구 수행 내용에 관한 흐름도 16
제2절 연구추진체계 17
제3절 기본 연구 방향 17
제4절 세부 연구 내용 18
1. 상세지역에 대한 비반응성 및 반응성 대기오염물질 예측 시스템 기반 구축 18
가. 비반응성 및 반응성 대기오염물질의 상세지역 예보 시스템 구축 18
나. 현업 예보권역을 고려한 상세지역 모델링 적용영역 확장 22
다. 상세지역이 고려된 배출량 자료 검토 및 평가 24
2. 현업 모델과 연동할 수 있는 인터페이스 기반 구축 53
가. 대기확산모델과 연동할 수 있는 인터페이스 구축 53
나. 고해상도 기상장의 영향 분석 71
3. 상세지역 대기오염 예측 시스템 시범 운영 및 보완 79
가. 상세지역 대기오염 예측 모델 적용 및 성능 평가 79
나. 상세지역 예측의 개선을 위한 측정망 확충안 제시 115
제3장 결론 122
제1절 상세지역에 대한 비반응 및 반응성 대기오염물질 예측 시스템 기반 구축 122
제2절 현업 모델과 연동할 수 있는 인터페이스 기반 구축 122
제3절 상세지역 대기오염 예측 시스템 시범 운영 및 보완 123
제4장 기대성과 및 활용방안 124
제1절 기대성과 124
제2절 활용방안 124
제5장 연구추진계획 및 일정 125
참고문헌 126
Table 4-1/Table 4-2. 영등포 영역(6×6㎢)의 건물 배출 분류 코드(BLD_SCC)별 분포 비율 30
Table 4-2/Table 4-3. 건물 배출 분류 코드(BLD_SCC)별 서울시 대기 오염물질의 면원 배출량 31
Table 4-3. 6×6㎢ 영역에 대한 건물 배출 분류 코드 (BLD_SCC)별 건물 분포 비율 43
Table 4-4. SAPRC-99 화학 메커니즘 화학종 목록(Cater, 2000). 굵은 글씨체는 현업 모형에서 저장하는 화학종 56
Table 4-5. CFD-Chem에 포함된 GEOS-Chem 화학 메커니즘 화학종 목록(Evans et al., 2003). 굵은 글씨체는 CFD-Chem 모형에서 저장하는 화학종 59
Table 4-6. SAPRC-99와 CFD-Chem 화학 메커니즘 간 화학 물질 변환표(Li et al., 2014). 굵은 글씨체는 배출 화학종 62
Table 4-7. CFD-Chem 모형에 포함된 화학 메커니즘에서 고려하는 일차 배출 화학종 목록(VOCs 9종 포함)(Evans et al., 2003) 63
Table 4-8. 현업 기상장 모형과 대기질 모형의 연직 고도 정보 67
Table 4-9. 대기오염물질 배출 시나리오 실험 설계 73
Table 4-10. 상세지역 대기오염 예측 시스템 시범 운영을 위해 설계한 수치 도면과 격자 정보 82
Table 4-11. 현업 대기질예보시스템과 CFD-Chem 모델 연동을 위한 대기오염물질과 배출물질 목록 82
Table 4-12. CFD-Chem 모델과 CFD-SAPRC99 모델 비교 93
Table 4-13. 벽면 함수 요약 93
Table 4-14. 벽면 경계 부근의 무차원 속도 규모와 기온 규모 94
Fig. 1-1. 대기질 예보 분석 지원 시스템 구축 흐름도 16
Fig. 2-1. 연구추진체계 17
Fig. 4-1. GIS 자료를 이용한 CFD 모델 지표경계입력 자료 구축 모식도 20
Fig. 4-2. 토지 피복 자료와 일조 모델을 이용한 3차원 지표 온도 자료 생성 모식도 21
Fig. 4-3. 서울시 25개 도시대기측정소에 대한 지표경계자료 23
Fig. 4-4. 서울 영역에 대한 3km 격자 해상도의 현업 배출량 자료 예시. a-c는 면원과 선원 배출량의 합을 나타내며, d-f는 점원 배출량을 나타냄 25
Fig. 4-5. 서울 지역의 CO 현업 배출량 공간 분포와 상세 대기질 모의 영역을 포함하는 배출량 상세화 영역(6×6㎢)의 정의 26
Fig. 4-6. GIS 정보를 이용한 현업 배출량의 상세화 과정 모식도 26
Fig. 4-7. 상세 건물과 지면 피복 정보의 예시(서울 영등포 지역): (a) 건물과 지형 고도, (b) 지면 피복, (c) 3차원 건물 고도, (d) 3차원 건물과 지면 피복 정보의 중첩 27
Fig. 4-8. 서울 영등포 지역의 상세 3차원 건물과 지면 피복 정보 27
Fig. 4-9. 건물 용도 구분 정보를 이용한 건물 배출 분류 코드(BLD_SCC) 정의 28
Fig. 4-10. 영등포 지역(6×6㎢)의 건물 배출 분류 코드(BLD_SCC)에 따른 건물 공간 분포 29
Fig. 4-11. 영등포 영역의 건물 배출 분류 코드 (BLD_SCC)별 건물 공간 분포. 흰색 실선으로 표시된 영역은 도시대기 측정소를 포함하는 상세 대기질 모의 영역을 나타냄 30
Fig. 4-12. 주요 건물군의 시간별 평균 전기 에너지 사용량 32
Fig. 4-13. 영등포 지역에 대한 현업 면원 배출량의 물질별 상세화 결과(09 LST) (a) CO (b) NO (c) SO₂ (d) VOCs(ALK4) 33
Fig. 4-14. 영등포 지역의 1m 해상도의 GIS 도로 정보와 상세화 영역의 현업 선원 배출량(2×2 격자) 공간 분포 예시 34
Fig. 4-15. 영등포 지역의 현업 선원 CO 격자 배출량(2×2 격자)의 격자별 일변화 분포 35
Fig. 4-16. 서울시 도로 종류별 2015년 9월 실측 교통량 일변화 패턴 비교. 89번과 96번 지점은 영등포 지역의 교통량 측정 지점 자료 35
Fig. 4-17. 영등포 지역에 대한 현업 선원 배출량의 물질별 상세화 결과(09 LST) (a) CO (b) NO (c) SO₂ (d) VOCs(ALK4) 36
Fig. 4-18a. 서울시 25개소 도시대기 측정망을 포함하는 배출량 상세화 영역(6×6㎢)의 3차원 건물, 지형 고도, 토지 피복 상세 GIS 정보(1m 공간 해상도) 37
Fig. 4-18b. 서울시 25개소 도시대기 측정망을 포함하는 배출량 상세화 영역(6×6㎢)의 3차원 건물, 지형 고도, 토지 피복 상세 GIS 정보 38
Fig. 4-18c. 서울시 25개소 도시대기 측정망을 포함하는 배출량 상세화 영역(6×6㎢)의 3차원 건물, 지형 고도, 토지 피복 상세 GIS 정보 39
Fig. 4-19a. 서울시 25개소 도시대기 측정망을 포함하는 배출량 상세화 영역(6×6㎢)의 건물 배출 분류 코드(BLD_SCC)별 공간 분포(1m 공간 해상도) 40
Fig. 4-19b. 서울시 25개소 도시대기 측정망을 포함하는 배출량 상세화 영역(6×6㎢)의 건물 배출 분류 코드(BLD_SCC)별 공간 분포(1m 공간 해상도) 41
Fig. 4-19c. 서울시 25개소 도시대기 측정망을 포함하는 배출량 상세화 영역(6×6㎢)의 건물 배출 분류 코드(BLD_SCC)별 공간 분포(1m 공간 해상도) 42
Fig. 4-20a. 서울시 25개소 도시대기 측정망을 포함하는 CFD-Chem 모의 영역(1.6×1.6㎢)의 상세 CO 배출량 공간 분포(1m 공간 해상도; 09 LST) 44
Fig. 4-20b. 서울시 25개소 도시대기 측정망을 포함하는 CFD-Chem 모의 영역(1.6×1.6㎢)의 상세 CO 배출량 공간 분포 45
Fig. 4-20c. 서울시 25개소 도시대기 측정망을 포함하는 CFD-Chem 모의 영역(1.6×1.6㎢)의 상세 CO 배출량 공간 분포 46
Fig. 4-21. 현업 배출량과 3km 격자 배출량으로 변환된 상세 배출량의 CO, NO, SO₂ 일평균 격자 배출 강도 비교. Grid 1-4는 현업 배출량(2×2)의 격자점을 나타냄 47
Fig. 4-22. 2015년 9월 12일부터 21일 기간 평균된 현업 CO, NO, NO₂, SO₂ 배출량과 영역 평균 상세 배출량의 시계열 비교. 수직선은 시간 표준편차 48
Fig. 4-23. 2015년 9월 12일 09 LST부터 9월 21일 08 LST 기간의 현업 CO, NO, NO₂, SO₂ 배출량과 영역 평균 상세 배출량의 시계열 비교 49
Fig. 4-24. 분석 지점별 현업 대기질 모형(CMAQ), CFD-Chem 모형, 지상 측정소의 대기 중 CO와 NO₂ 농도 비교 50
Fig. 4-25. 영등포 지역의 CFD-Chem 모의 영역 내 측정소 중심 지점의 방위별 배출 강도와 면원ㆍ선원 상세 배출량 시계열. 수직선은 배출 강도의 공간 분포의 표준 편차 51
Fig. 4-26. 은평구 지역의 CFD-Chem 모의 영역 내 측정소 중심 지점의 방위별 배출 강도와 면원ㆍ선원 상세 배출량 시계열. 수직선은 배출 강도의 공간 분포의 표준 편차 52
Fig. 4-27. 노원구 지역의 CFD-Chem 모의 영역 내 측정소 중심 지점의 방위별 배출 강도와 면원ㆍ선원 상세 배출량 시계열. 수직선은 배출 강도의 공간 분포의 표준 편차 52
Fig. 4-28. 경계 조건 개선 (a) 전과 (b) 후를 나타내는 모식도 53
Fig. 4-29. 중규모 기상 모델(WRF)의 결과 자료를 이용한 CFD 모델 초기ㆍ경계 조건 생성 모식도 54
Fig. 4-30. 상세지역 배출량을 이용한 CFD-Chem 모형 입력 배출량 생산 모식도 55
Fig. 4-31. 영등포 지역 CFD-Chem 모의 영역의 (a) 10m와 (b) 20m 격자 해상도로 표현된 지면 피복 공간 분포 61
Fig. 4-32. 영등포 지역 CFD-Chem 모의 영역의 격자 해상도별 CO 배출량 공간 분포: (a) 1m, (b) 10m, (c) 20m 61
Fig. 4-33a. 서울시 도시대기 측정소 중심의 지역별 CFD-Chem 모의 영역의 20m 격자 해상도 CO 배출량 공간 분포 64
Fig. 4-33b. 서울시 도시대기 측정소 중심의 지역별 CFD-Chem 모의 영역의 20m 격자 해상도 CO 배출량 공간 분포 65
Fig. 4-33c. 서울시 도시대기 측정소 중심의 지역별 CFD-Chem 모의 영역의 20m 격자 해상도 CO 배출량 공간 분포 66
Fig. 4-34. CFD-Chem 모의 영역에 적용된 시간별 화학장의 연직 분포 (a-d: 영등포구, e-h: 광진구). 검은 실선은 CFD-Chem 모형의 20m 간격의 연직층 68
Fig. 4-35. 영등포 지역의 CFD-Chem 모의에 화학 초기 및 경계 조건으로 적용된 CO와 NO의 시간별 연직 분포 69
Fig. 4-36. 은평구 지역의 CFD-Chem 모의에 화학 초기 및 경계 조건으로 적용된 CO와 NO의 시간별 연직 분포 69
Fig. 4-37. 노원구 지역의 CFD-Chem 모의에 화학 초기 및 경계 조건으로 적용된 CO와 NO의 시간별 연직 분포 70
Fig. 4-38. 서울시 타 측정소들과 오존장기변동 상관성이 높은 도시대기측정소[(a) 번동, (b) 신정동]와 낮은 도시대기측정소[(c) 불광동, (d) 상계동] 72
Fig. 4-39. 도시대기측정소 측정 고도에서 수치 모의한 대기오염물질 농도 비율 [(a) 번동, (b) 신정동, (c) 불광동, (d) 상계동] 74
Fig. 4-40. 도시대기측정소 지점에서 모의한 각 풍향별 농도 비율 [(a) 번동과 신정동, (b) 불광동과 상계동 도시대기측정소] 75
Fig. 4-41. 시나리오 2에 대해 북풍인 경우의 (a) 지표(왼쪽)와 측정 고도(오른쪽)에서의 농도장과 바람 벡터장, (b) ㉠과 ㉡ 지역에 대해 확대한 농도장(왼쪽)과 연직 성분 속도 분포(오른쪽) 76
Fig. 4-42. 16방위 유입 풍향에 대해 평균한 (a) 지표와 (b) 측정 고도에서의 농도장, 불광동 도시대기측정소 주변 지역의 (c) 지형과 (d) 건물 분포 77
Fig. 4-43. 16방위 유입류 풍향에 대해 평균한 고도별 농도 분포(붉은색-고도별 평균 농도의 175% 이상의 농도가 나타나는 지역) 78
Fig. 4-44. CFD-Chem 모델을 구동시키기 위한 입력 자료 79
Fig. 4-45. 서울시 (a) 영등포구, (b) 은평구, (c) 노원구 AQMS 주변 지역에 대한 항공사진 81
Fig. 4-46. 분석 기간 동안(2015.09.13.~2015.09.19.) 관측(검은색 점)과 수치 모의(파란 실선-WRF 모델, 빨간 실선-CFD-Chem 모델)한 영등포구 AWS 지점의 풍향(위), 풍속(중간), 기온(아래) 시계열 84
Fig. 4-47. 분석 기간 동안(2015.09.13.~2015.09.19.) 측정(검은색 점)과 수치 모의(파란 실선-CMAQ 모델, 빨간 실선-CFD-Chem 모델)한 영등포구 AQMS 지점의 CO(위), NO₂(중간), O₃(아래) 농도 시계열 85
Fig. 4-48. 2015년 9월 16일 17시, (a) 지표 고도와 (b) 측정 고도에서 WRF 모델(왼쪽)과 CFD-Chem 모델(오른쪽)이 수치 모의한 바람 벡터와 연직 속도(붉은색 원-도시대기측정소 위치) 86
Fig. 4-49. 2015년 9월 16일 17시, (a) 지표 고도와 (b) 측정 고도에서 CFD-Chem 모델이 수치 모의한 CO, NO₂, O₃ 농도장 87
Fig. 4-50. 2015년 9월 16일 17시, AQMS를 중심으로 남북방향으로 자른 연직 단면상의 농도장과 유선장 88
Fig. 4-51. 2015년 9월 17일 10시, (a) 지표 고도와 (b) 측정 고도에서 WRF 모델(왼쪽)과 CFD-Chem 모델(오른쪽)이 수치 모의한 바람 벡터와 연직 속도(붉은색 원-도시대기측정소 위치) 89
Fig. 4-52. 2015년 9월 17일 10시, (a) 지표 고도 (b) 측정 고도에서 CFD-Chem 모델이 수치 모의한 CO, NO₂, O₃ 농도장 90
Fig. 4-53. 2015년 9월 17일 10시, AQMS를 중심으로 동서방향으로 자른 연직 단면상의 농도장과 유선장 91
Fig. 4-54. 2015년 9월 17일 10시 (a) CO, (b) NO₂, (c) O₃ 농도의 연직 분포. 빨간 실선은 CFD-Chem 모델 결과를 층 평균한 값, 검은 실선은 배경 농도(CMAQ 모델 수치모의 농도),... 92
Fig. 4-55. 분석 기간(2015.09.13~2015.09.19) 동안, 영등포구 AQMS 위치의 CO(위), NO₂(중간), O₃(아래) 농도의 시계열[검은색 점-측정 농도, 초록 실선-배경 농도(CMAQ)... 95
Fig. 4-56. 2015년 9월 17일 12시, 측정 고도에서 (a) CFD-Chem 모델과 (b) CFD-SAPRC99 모델이 수치 모의한 CO, NO₂, O₃ 농도장 96
Fig. 4-57. 2015년 9월 17일 12시, 지표 고도에서 (a) CFD-Chem 모델과 (b) CFD-SAPRC99 모델이 수치 모의한 CO, NO₂, O₃ 농도장 97
Fig. 4-58. 2015년 9월 17일 12시, AQMS 위치에서 동서방향으로 자른 연직 단면의 유선장과 (a) NO₂, (b) O₃ 농도장 98
Fig. 4-59. 2015년 9월 17일 12시, (a) 풍속, (b) CFD-Chem 모델과 (c) CFD-SAPPRC99 모델이 수치 모의한 농도의 연직 분포 99
Fig. 4-60. 분석 기간 동안(2015.09.13.~2015.09.19.) 관측(검은색 점)과 수치 모의(파란 실선-WRF 모델, 빨간 실선-CFD-Chem 모델)한 은평구 AWS 지점의 풍향(위), 풍속(중간), 기온(아래) 시계열 101
Fig. 4-61. 분석 기간 동안(2015.09.13.~2015.09.19.) 측정(검은색 점)과 수치 모의(파란 실선-CMAQ 모델, 빨간 실선-CFD-Chem 모델)한 은평구 AQMS 지점의 CO(위),NO₂(중간), O₃(아래) 농도 시계열 102
Fig. 4-62. 2015년 9월 16일 21시, (a) 지표 고도 (b) 측정 고도에서 WRF 모델(왼쪽)과 CFD-Chem 모델(오른쪽)이 수치 모의한 바람 벡터와 연직 속도(붉은색 원-도시대기측정소 위치) 103
Fig. 4-63. 2015년 9월 16일 21시, (a) 지표 고도 (b) 측정 고도에서 CFD-Chem 모델이 수치 모의한 CO, NO₂, O₃ 농도장 104
Fig. 4-64. 2015년 9월 16일 21시, AQMS를 기준으로 남북방향으로 자른 연직 단면상의 농도장과 유선장 105
Fig. 4-65. 2015년 9월 16일 21시 (a) CO, (b) NO₂, (c) O₃ 농도의 연직 분포. 빨간 실선은 CFD-Chem 모델 결과를 층 평균한 값, 검은 실선은 배경 농도(CMAQ 모델 수치 모의 농도),... 106
Fig. 4-66. 2015년 9월 19일 12시, (a) 지표 고도 (b) 측정 고도에서 WRF 모델(왼쪽)과 CFD-Chem 모델(오른쪽)이 수치 모의한 바람 벡터와 연직 속도(붉은색 원-도시대기측정소 위치) 107
Fig. 4-67. 2015년 9월 19일 12시, (a) 지표 고도 (b) 측정 고도에서 CFD-Chem 모델이 수치 모의한 CO, NO₂, O₃ 농도장 108
Fig. 4-68. 2015년 9월 16일 21시, AQMS를 기준으로 북서에서 남동방향으로 자른 단면상의 연직 농도장과 유선장 109
Fig. 4-69. 분석 기간 동안(2015.09.13.~2015.09.19.) 측정(검은색 점)과 수치 모의(파란 실선-CMAQ 모델, 빨간 실선-CFD-Chem 모델)한 노원구 AQMS 지점의 CO(위), NO₂(중간), O₃(아래) 농도 시계열 110
Fig. 4-70. 2015년 9월 14일 21시, (a) 지표 고도와 (b) 측정 고도에서 WRF 모델(왼쪽)과 CFD-Chem 모델(오른쪽)이 수치 모의한 바람 벡터와 연직 속도(붉은색 원-도시대기측정소 위치) 111
Fig. 4-71. 2015년 9월 14일 21시, (a) 지표 고도 (b) 측정 고도에서 CFD-Chem 모델이 수치 모의한 CO, NO₂, O₃ 농도장 112
Fig. 4-72. 2015년 9월 14일 21시, AQMS를 중심으로 동서방향으로 자른 연직 단면상의 농도장과 유선장 113
Fig. 4-73. 2015년 9월 14일 21시 (a) CO, (b) NO₂, (c) O₃ 농도의 연직 분포. 빨간 실선은 CFD-Chem 모델 결과를 층 평균한 값, 검은 실선은 배경 농도(CMAQ 모델 수치 모의 농도), 초록색 사각형은 측정 농도, 분홍색 영역은 평균±표준편차 114
Fig. 4-74. (a) 시나리오 2의 결과와 (b) (a)를 층 평균으로 나눈 농도장(노랑, 주황, 빨강, 진한 빨강 순으로 평균 농도의 1.5배, 2.0배, 2.5배, 3.0배인 영역을 의미) 116
Fig. 4-75. 고도에 따른 오염물질 분포도[(a) 오염물질이 지표에서 배출되는 경우, (b) 오염물질이 수치도메인 경계에서 수송되는 경우] 117
Fig. 4-76. 불광동 도시대기측정소 측정 고도에서의 오염물질 분포도[(a) 오염물질이 지표 배출원으로부터 배출되는 경우, (b) 오염물질이 수치도메인 경계에서 수송되는 경우] 118
Fig. 4-77. 무차원 농도의 연직 분포[빨강(검정) 실선: 도로 배출(경계 수송) 실험의 층 평균 농도, 빨강(초록) 사각형: 도로 배출(경계 수송) 실험에서 불광동 측정소 지점의 농도, 빨강(파랑) 음영: 평균±표준편차] 118
Fig. 4-78. 불광동 도시대기측정소 주변 고도별 지역 특성[(a) 고농도가 나타나는 지역, (b) 청정 지역, (c) 평균 농도가 나타나는 지역, (d) 안락처 지역, (e) 배경 농도를 반영하는 지역] 121