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표제지
목차
요약문 4
1. 사업배경 및 필요성 13
1) 사업의 배경 13
2) 사업의 필요성 17
3) 사업의 기대효과 18
2. 사업 목표 및 범위 19
2.1. '16년 대도시-생태-대기권간 상호영향 국제공동연구 국내역량 조사 20
2.1.1. 지상관측분야(입자상 및 가스상 대기오염물질)의 국내역량 조사 20
2.1.2. 원격측정분야(위성 및 원격관측) 국내역량 조사 24
2.1.3. 측정(장ㆍ단기 지상, 항공, 위성), 모델링과 배출량 조사가 포함된 입체적 규모의 국제공동관측 연구결과 정리 25
1) MILAGRO 28
2) MEGAPOLI (Magecities:Emission, urban, regiona and Global atmosperhic Pollution and climate effects, and Integrated tools for assessment and mitigation) 39
2.2. 대도시-생태-대기권간 상호영향 국제공동연구 국내 연구 목표 및 상세 기획 45
2.2.1. 국제공동관측 각 분야별 연구목표 설정 45
2.2.1.1. 화학 관측 분야 세부 목표 46
2.2.1.2. 배출량분야 세부 목표 47
2.2.1.3. 대기질 예보모델 개선 목표 47
2.2.1.4. 위성활용 및 검증 목표 48
2.2.1.5. 연구 목표 및 상세 기획 48
2.2.1.6. 과학기술위원회 구성 및 실무위원회 운영방안 52
2.2.2. 2015년 국내연구진 지상 및 항공 예비 집중관측 상세 기획 53
2.2.3. 각 분야별 2016년 국제공동연구 참여분야 및 집중관측방향 상세 기획 56
2.2.4. 2015년 예비 집중관측 수행 57
2.3. 미세먼지 생성 전구물질 측정을 위한 시료도입장치 설계 및 제작 61
2.3.1. 미세먼지 전구물질 중 Hydroxyl Radical(OH 라디칼) 항공관측을 위한 시료 도입부(Inlet) 설계, 제작 및 납품 61
2.3.2. 제작된 시료도입부의 항공기 장착 및 운영방안(SOP) 마련 67
2.3.3. 시료도입부 매뉴얼 작성 및 2016년 운영지원방안 마련 68
2.4. 미세먼지 생성 전구물질 측정을 위한 화학이온질량분석기(Chemical Ion/Mass Spectrometer, CIMS) 설계 및 제작 69
2.4.1. 극미량 전구물질 중 황산화물계열 전구물질 측정분석기 설계, 제작 및 납품 69
2.4.2. 화학이온질량분석기 항공관측 및 지상측정 Platform 제작 및 납품 71
2.4.3. 화학이온질량분석기 매뉴얼 작성 및 2016년 운영지원방안 마련 72
[별첨 1] MAPS – Seoul(Megacity Air Pollution Studies–Seoul) 91
Executive Summary 94
1. Introduction 95
2. Overall Goals 102
3. Scientific Aims 103
4. Research questions 104
1) Air quality models and emission perspectives 104
2) Air chemistry perspectives 105
3) Satellite application 107
5. Recent progress and findings 107
1) Air quality models and emission studies 107
2) Air chemistry studies 117
3) Satellite studies 121
6. Research strategies 126
1) Air quality models and emission strategies 126
ⅰ. At the stage of pre-campaign 127
ⅱ. During the campaign 128
ⅲ. At the stage of post-campaign 130
2) Field Campaigns 133
ⅰ. Proposed Campaign Periods 133
ⅱ. Proposed Measurements and Platforms 134
3) Satellite measurements 139
[별첨 2] MAPS-Seoul(광역도시 대기오염연구-서울)국문 요약본 141
요약 143
1. 연구 배경 144
2. 연구목표 145
3. 연구 추진방법 146
4. 연구 방향 및 해결과제 147
1) 대기 화학분야에서의 연구 과제 147
2) 대기 질 모델과 배출에 대한 관점 147
3) 위성분야 응용 148
5. 연구 계획 148
1) 대기 질 모델과 배출량 148
2) 지상 및 항공 집중측정 계획 149
[별첨 3] CIMS 작동 원리 및 운영 방법 151
[별첨 4] CIMS 운영 메뉴얼 165
표 1/표 5. 30 년간 대기 중 입자상 물질관련 미국 주도 주요 연구 프로그램 27
표 2/표 6. MILAGRO 캠페인의 멕시코 국내 및 해외 참여 기관 31
표 3/표 7. MILAGRO 캠페인의 참여 기관과 측정항목 (Molina et al., 2010) 32
표 4/표 8. MILAGRO 캠페인의 참여 기관과 측정항목 (계속) 33
표 5/표 9. MILAGRO 캠페인 중 도심 측정소(T1)에서의 관측 참여 기관과 측정항목(Molina et al, 2010) 34
표 6/표 10. MILAGRO 캠페인 중 C-130 항공기에서 관측되는 항목 및 설비 (Molina et al., 2010) 36
표 7/표 11. 화학측정분야에서 해결해야하는 과학적 문제와 관련 측정 요소 50
표 8/표 12. 과학적 문제 해결과 측정요소 분석에 필요한 장비와 플랫폼 51
표 9/표 13. 국내 대기질 관련 연구자 및 관련 측정 항목 54
표 10/표 14. 2015년 예비 집중관측계획 55
표 11/표 15. 사전캠페인 관측 사이트 현황 58
표 12/표 16. KIST 사이트에서의 관측항목, 측정장비, 책임자 및 참가 기관 58
표 13/표 17. OH 시료 도입 시스템의 유량 제어에 포함되어야할 Mass Flow Controller와 각각의 적정량의 예 67
표 14/표 18. 상자 모델 시나리오 정리 77
표 15/표 19. NASA에 의해 현재 제안된 DC-8(그림48)에 탑재된 장비 목록 83
그림 1. 서울시 PM10, PM2.5, 오존의 장기 변동 (Kim and Yeo, JKOSAE 2013) 13
그림 2. 서울시 자동차 등록대수 및 NOx, NO2 농도 변화(Kim and Yeo 2013) 14
그림 3. 2013년 중국의 장거리이동 오염에 따른 서울시 입자상 농도의 변화 15
그림 4. CMAQ을 이용한 PM2.5의 농도 분포 (구윤서, 2013) 16
그림 5. 동북아시아 배출인벤토리를 활용한 확산모델과 GOME관측 상의 NO₂ 농도 비교(Han et al., 2009) 17
그림 6. 국내 대기질 관련 연구역량 : 국내 논문 중심으로 21
그림 7. 국내 학술지 발표 PM2.5 관련 연구 분야 분포 22
그림 8. 국내 학술지 발표 오존 관련 연구 분야 분포 23
그림 9. 해외전문학술지(SCI) 한국 및 수도권 관련 연구 분야 분포 23
그림 10. 국내 학술지 발표 원격측정 관련 연구 분야 분포 24
그림 11. 국제 대기질 관측 campaign (Solomon et al., 2000) 25
그림 12. MILAGRO 캠페인의 연구 영역 및 주관 기관 29
그림 13. MILAGRO 캠페인 기간 중 멕시코시티의 지상관측 지점과 전경 29
그림 14. MILAGRO 연구를 통해 생산된 연구 분야 30
그림 15. MILAGRO참여 DC-8항공기내 측정 장비 배치도 35
그림 16. MILAGRO 기간 중 자동차 배출인벤토리의 검증 및 비교 (Molina et al., 2010) 37
그림 17. MILAGRO를 통해 개선된 멕시코시티의 대기오염물질 배출인벤토리 38
그림 18. 멕시코시티의 대기오염 개선 현황 39
그림 19. MEGAPOLI 프로젝트의 대상 대도시 (van der Gon et al., 2009) 41
그림 20. MEGAPOLI 프로젝트의 기구 조직 41
그림 21. MEGAPOLI 프로젝트의 대도시-대기질-기후변화의 상관관계 기작(Baklanov et al, 2010) 43
그림 22. MEGAPOLI 프로젝트의 단위 연구 분야와 상관관계 (Baklanov et al, 2010) 44
그림 23. MEGAPOLI 프로젝트의 단위 연구 분야와 상관관계 (Baklanov et al, 2010) 45
그림 24. MAPS 및 국제공동 집중관측 프로그램의 기구 및 조직 52
그림 25. MAPS 및 국제공동 집중관측 프로그램의 분야별 실무위원회 53
그림 26. 2016년 국제공동 기간 중 국내 연구 platform 57
그림 27. KIST 관측 사이트의 관측 컨테이너 전경 60
그림 28. KIST 관측 사이트의 관측 컨테이너 내부 60
그림 29. KIST 관측 사이트의 관측 컨테이너내의 관측 장비 61
그림 30. OH CIMS system의 기기 모식도 62
그림 31. OH, HO2, 와 RO2의 화학 전환 시스템 모식 63
그림 32. sample flow의 NO 의 농도에 따라 정해지는 H₂SO₄ HO₂ conversion efficiency 64
그림 33. OH CIMS 를 이용한 OH, HO₂+RO₂측정의 실례 65
그림 34. 시료도입부 이온 렌즈의 전압분포 66
그림 35. 영국 BAe-146 관측 항공기에 설치된 비행관측용 시료도입부 모식도 68
그림 36. 항공관측을 위한 황산화물계열 화학이온화법 질량분석기의 설치의 예(NASA-DC 8) 70
그림 37. OH inlet과 CIMS가 함께 결합된 instrument package 71
그림 38. 대기중에서의 OH-NOX-VOC광화학 반응 모식도 72
그림 39. 중국의 Pearl River Delta에서 관측한 OH 농도 (붉은 실선)과 광정류 상태를 가정하여 계산한 OH 농도 (파란실선) Hofzumahaus 외 Science 2010 에서 발췌 73
그림 40. 대한민국의 토지 사용을 인공위성 자료를 통해 재구성한 지도. (붉은색은 도시를 희색은 농경지를 녹색은 산림을 나타낸다.) 74
그림 41. 태화산 관측소의 위치 75
그림 42. 2013년 6월 1일에서 6월 7일 사이 오존이 높게 관측됐을 때의 중요 미량기체들의 농도 일평균 76
그림 43. 관측된 미량기체의 OH reactivity에 대한 기여도 77
그림 44. 관측값을 이용하여 상자 모델을 연산한 결과를 나타낸 그림 78
그림 45. P(Peroxide)/P(HNO3)일변화를 각 모델 시나리오에 따라 나타낸 것 79
그림 46. 영차원 상자모델을 이용하여 예측된 각 모델 시나리오별로의 total OH reactivity예측치 일변화 a)와 포름알데하이드 모델 예측치 일변화 b) 80
그림 47. IPCC 5차 보고서에서 요약한 radiative forcer들의 분포와 이들의 현재 과학적 이해를 표현한 도표 81
그림 48. NASA DC-8 82
그림 49. 현재 계획 중인 NASA DC-8의 항로의 예 85
그림 50. 효과적인 실측-위성관측-모델링의 융합 87
그림 51. 인공위성으로 관측한 NO₂의 농도 88
그림 52. 대한민국에 분포하는 대기오염 관측망 88
그림 53. 과학적으로 활용성이 높은 관측소 현황 89
별첨표목차
[별첨 1] MAPS – Seoul(Megacity Air Pollution Studies–Seoul) 125
Table 1. Accuracy of OMI measurements 125
Table 2. Measurements needed to answer the scientific questions in chemistry perspective 135
Table 3. Proposed instruments and platforms 136
Table 4. Capabilities from the ground-based optical and satellite platform 140
[별첨 2] MAPS-Seoul(광역도시 대기오염연구-서울)국문 요약본 150
표 1. 관측 항목, 관측 지점 및 측정방법 150
[별첨 3] CIMS 작동 원리 및 운영 방법 153
Table 1/Table 27. Voltage sequence used to guide anions to the detection chamber 153
Table 2/Table 28. Gas flows used for typical observations 162
Table 3/Table 29. Summary of the uncertainties in the OH/HO2/H2SO4 measurement for the summer 2003 field campaign 164
별첨그림목차
[별첨 1] MAPS – Seoul(Megacity Air Pollution Studies–Seoul) 95
Figure 1. Annual variations of selected air pollutants in Seoul (Ghim 2012) 95
Figure 2. Time series (left) and scatter plot (right) comparisons between the observed and simulated PM2.5 mass concentrations at the Bulkwang site in Seoul, Korea for Aug. 10-Dec. 31, 2013 96
Figure 3. Trend of the yearly average ambient concentrations of nitrogen dioxide, the oxides of nitrogen, and number ofvehicles in Seoul between 1980 and 2010. (Kim and Yeo, 2013) 100
Figure 4. Trend of the yearly VOCs emission in Seoul between 2000 and 2009. (Choi and Ko, 2013) 101
Figure 5. Comparison of emission estimates in this study with other studies: (a) NOX; (b) SO2; (c) PM10; (d) PM2.5; (e) NMVOC. Scenarios from the same study are shown with symbols of the same colour, and only the historical... 111
Figure 6. Historical trend and future reduction perspective for the emissions of Seoul Metropolitan Area. The emission reductions are estimated for 1st and 2nd SAQMP periods (Gong et al, 2014) 111
Figure 7. Simulated annual mean concentrations of SO42-(left), NO3-(middle), and NH4+(right) aerosols in surface air over northeastern Asia for March 2006 - February 2007 (top panel). Scatter plots of the observed and... 113
Figure 8. A comparison of the simulated and observed PM2.5 composition data at the Bulkwang site in Seoul 113
Figure 9. Scatter plots of the observed and simulated monthly mean OC concentrations at sites in Seoul (left), Chuncheon (middle), and Gosan(right) for March 2006 - February 2007. Comparisons of observed (squares)... 114
Figure 10. The adjoint sensitivity ambient NOx emissions with respect to TES O3 along the AURA satellite track (black line) in April 11, 2007 (Sandu, 2007) 116
Figure 11. Recent measurement of vertical distribution of air pollutants and meteorological variables. Red square, blue, green, and gray indicate O₃, NOx, SO₂, and CO, respectively (left panel), and blue and black indicate... 117
Figure 12. Seasonal O3 averages measured at high elevation (1.9 km) sites in Japan at Mt. Happo. Lines indicate linear and quadratic regressions for the complete data sets (Parrish et al., 2012) 118
Figure 13. Plot of annual mean concentrations of tropospheric O₃ measured from seven cities in Korea for a 22-year period(1989–2010).(Susaya et al., 2013) 119
Figure 14. Aerosol retrieval using satellite (LEO) measurement: past and present (sensor list, AOD spatial resolution) 122
Figure 15. Aerosol retrieval using satellite (GEO) measurement: past and present (project, satellite, and sensors) 123
Figure 16. Comparison of MODIS Collection 6 against AERONET for (a) AOD and (b) Angstrom exponent (Levy et al., 2013) 123
Figure 17. Distinctly different seasonal air mass transport over East Asia. The horizontal wind directions near 800 hPa shown here have been generated by GEOS-4 in 2007 (Shim et al., 2008) 133
Figure 18. The proposed platforms in MAP-Seoul field campaign 138
Figure 19. Proposed (?) flight plans for Kingairs and DC-8 139
[별첨 3] CIMS 작동 원리 및 운영 방법 152
Figure 1. Schematic of the (OH/HO2+RO2/H2SO4) Chemical Ionization Mass Spectrometer 152
Figure 2. Schematic of the front end of the OH/HO2/H2SO4 CIMS 154
Figure 3. Predicted yields of sulfuric acid versus NO at a fixed SO2 mixing ratio of 32 ppmv. The mixing ratios of NO used during the Summit 2003 field campaign ranged from 3.2 to 6.4 ppmv. The reaction time was 100 ms... 156
Figure 4. Schematic of the (OH/HO₂+RO₂/H2SO₄) CIMS inlet 157
Figure 5. Hydroxyl and peroxy duty cycle for the typical ambient observations 160
Figure 6. Diagram of the Mass Flow Controllers and switching valves used for measurements and backgrounds (peroxy measurement mode) 161
Figure 7. Hydroxyl and peroxy duty cycle for the spring 2004 field campaign 163
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