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목차
요약문 3
Abstract 9
I. 서론 21
제1절 연구의 배경 21
제2절 연구의 목적 24
제3절 참여 연구자 26
II. 연구내용 및 방법 27
제1절 한반도 미세먼지의 물리ㆍ광학적 특성 분석 및 공간분포 특성 조사 27
1. 연구 내용 27
2. 연구 방법 27
제2절 중국에서 발생, 유입된 미세먼지와 한반도 국지발생 미세먼지 특성 조사 28
1. 연구 내용 28
2. 연구 방법 28
제3절 지상원격탐사(라이다) 자료를 이용한 미세먼지의 연직 분포 특성 도출 31
1. 연구 내용 31
2. 연구 방법 31
제4절 원격측정 자료를 활용한 미세먼지 예보제 현업지원 방안 마련 33
1. 연구 내용 33
2. 연구 방법 33
제5절 단방향 원격측정장비 운영 방법 확립 35
1. 연구 내용 35
2. 연구 방법 35
제6절 에어로졸 나노입자 개수 측정 기반 구축을 위한 기술 지원 36
1. 연구 내용 36
2. 연구 방법 36
제7절 탄소 발생원 추정기술 개발을 위한 기술 지원 37
1. 연구 내용 37
2. 연구 방법 37
III. 연구 결과 및 고찰 39
제1절 한반도 미세먼지의 물리ㆍ광학적 특성 분석 및 공간분포 특성 조사 39
제2절 중국에서 발생, 유입된 미세먼지와 한반도 국지발생 미세먼지 특성 조사 58
1. 라이다 관측 자료를 통한 에어로졸의 종류 구별 및 질량농도 산출 알고리즘 개발 74
2. 라이다로부터 산출된 질량농도와 지상관측 질량농도 비교 검증 78
3. 고농도 미세먼지 발생 시의 미세먼지 수평 및 연직 분포 특성과 기상장과의 연관성 분석 81
제3절 지상원격탐사(라이다) 자료를 이용한 미세먼지의 연직 분포 특성 도출 74
제4절 원격측정 자료를 활용한 미세먼지 예보제 현업지원 방안 마련 85
1. 대기질 (미세먼지) 현업 예보사례 85
2. 국내 원격관측 자료 현황 87
3. 위성자료 활용방법 제시 92
4. 미세먼지 현업 예보에의 활용 방안 94
제5절 단방향 원격측정장비 운영 방법 확립 96
1. 차등흡수분광계 표준운영방 96
2. 시도측정계 표준운영방법 109
제6절 에어로졸 나노입자 개수 측정 기반 구축을 위한 기술 지원 118
1. 제작된 Mini-DMA의 성능 평가 118
2. 백령도 집중 측정소의 TSI 3034 모델 성능 평가 120
3. 백령도 주변 대기의 나노 입자 모니터링 122
제7절 탄소 발생원 추정기술 개발을 위한 기술 지원 128
1. 시료 채취 및 분석 방법 128
2. AMS와 안정동위원소 측정 결과 130
IV. 결론 및 세부수행계획상 목표 달성 137
제1절 결론 137
제2절 세부수행계획상 목표 달성 141
V. 기대성과 및 활용계획 143
1. 기대성과 143
2. 활용계획 143
VI. 참고문헌 145
Table 2-1. 장거리이동 연무(Long-range transported haze; LH), 황사(Yellow sand; YS), 도시연무(Urban haze; UH)사례와 각 사례의 PM2.5/PM10비율 30
Table 3-1. 한반도내 주요지역의 과년도(2011~2014년)과 2015년도의 5~6월 평균 에어로졸 광학특성 및 미세먼지 농도 48
Table 3-2. 장거리이동 연무와 도시연무의 PM2.5, σsp의 시간규모 60
Table 3-3. 장거리이동 연무, 황사, 도시연무에 대한 Single Scattering Albedo (SSA). all은 사례기간 전체구간, peak는 사례분류절차에 따른 PM농도 +1이상인 구간 65
Table 3-4. 장거리이동 연무, 황사, 도시연무에 대한 백령도와 서울의 peak기간 동안의 평균 화학성분 72
Table 3-5. 장거리이동 연무, 황사, 도시연무에 대한 백령도와 서울의 peak기간 동안의 평균 화학조성비(S/N, S/Si, S/Ca) 73
Table 3-6. AR600 기기 개요 97
Table 3-7. LPV-3 기기 개요 110
Table 3-8. LPV 송신부의 발생 에러 및 해결방안 112
Table 3-9. TSI 3034 모델 분극 성능 120
Table 3-10. 원소탄소 및 전체 탄소에 대한 14C 분석 결과 131
Fig. 1-1. 2006년 5월 16일~19일 서울대학교 라이다로 측정한 후방산란강도(위)와 편광소멸도(아래) 22
Fig. 1-2. 미세먼지에 존재하는 탄소의 분류(Huang et al., 2006) 23
Fig. 2-1. 장거리이동연무(LRT), 황사(YS) 및 도시연무(UH) 등의 구체적인 구분 방법론 예시. 1단계 에어로졸 부하량, 2단계 두 지점의 시간차이, 3단계 역궤적 분석, 4단계 미세먼지 비율 등으로 구성된다. 옹스트롬(A)은 추후 고려될 예정이다 29
Fig. 3-1. 한반도 내 대기오염집중측정소와 고산기후관측소의 위치 39
Fig. 3-2. 한반도 도심지역의 월별 오존 농도(왼쪽)와 동아시아의 바이오매스 연소에 의한 월별 CO 배출량(오른쪽) [KORUS-AQ White Paper, 2015] 40
Fig. 3-3. 한반도 내 주요 지역에서 측정한 2011~2013년의 (a) 에어로졸 산란계수, (b) 에어로졸 흡수계수, (c) 블랙카본 질량농도, (d) PM10 (백령도-주황색, 대전-파란색, 고산-검은색, 광주-초록색, 제주-하늘색, 서울-빨간색, 울산-보라색) 41
Fig. 3-4. 한반도 내 도심지역과 배경지역의 (a) 에어로졸 산란계수, (b) 에어로졸 흡수계수, (c) 블랙카본 질량농도의 95, 75, 50, 25, 5 퍼센타일과 지역별 평균(검은 점-지역별 평균, 빨간 점선-도심지역 평균, 파란 점선-배경지역 평균) 42
Fig. 3-5. 한반도 내 주요 지역에서의 (a) 에어로졸 산란계수, (b) 에어로졸 흡수계수, (c) 블랙카본 질량농도, (d) PM10의 월변화(백령도-주황색, 대전-파란색, 고산-검은색, 광주-초록색, 제주-하늘색, 서울-빨간색, 울산-보라색) 43
Fig. 3-6. (a) 과년도(2011~2014년) 5월과 6월, (b) 2015년 5월과 6월 동아시아의 에어로졸 광학두께, 지오포텐셜 고도(실선) 그리고 바람벡터(화살표), (c) 과년도와 2015년의 5월과 6월 에어로졸 광학두께의 아노말리 45
Fig. 3-7. 서울에서 라이다 관측으로 산출된 2006~2014년과 2015년 5월과 6월의 평균 에어로졸 소산계수 연직분포 46
Fig. 3-8. 도심지역(서울)과 배경지역(백령, 고산)에서 AERONET 기반의 선포토미터로 관측된 2011~2014년과 2015년 5월과 6월의 평균 에어로졸 광학 두께 46
Fig. 3-9. 도심지역(서울, 대전, 광주)과 배경지역(백령, 봉성, 고산)의 에어로졸 산란계수(위)와 에어로졸 흡수계수(중간), 블랙카본 질량농도(아래) 과년도(2011~2014년) 5월~6월 평균과 2015년 5월~6월 평균의 편차(빨간색 실선-2011~2014년 5월~6월 평균) 47
Fig. 3-10. 한반도내 주요 지역(빨간색-서울, 파란색-대전, 초록색-광주, 보라색-울산, 주황색-백령, 하늘색-봉성, 검은색-고산)의 2015년 5~6월 (a) 에어로졸 산란계수, (b) 에어로졸 흡수계수, (c) 블랙카본 질량농도 그리고 (d) 미세먼지(PM10) 농도의 일별 데이터에 대한 시계열 그래프(하늘색 음영-사례 1, 붉은색 음영-사례 2) 49
Fig. 3-11. 첫 번째 사례 기간(2015년 5월 14~16일) 동안 (a) 한반도 주요 지역(빨간색-서울, 파란색-대전, 초록색-광주, 보라색-울산, 주황색-백령, 하늘색-봉성)의 에어로졸 산란 계수(위)와 에어로졸 흡수계수(중간), 블랙카본 질량농도(아래)의 시간별 시계열 및 (b) PM2.5 이온성분 50
Fig. 3-12. 2015년 5월 13~16일 00UTC의 지상일기도 51
Fig. 3-13. 2015년 5월 14~16일 라이다로 관측한 (a) 서울, (b) 고산 그리고 (c) 울산의 후방산란강도(위)와 편광소멸도(아래) 52
Fig. 3-14. 두번째 사례 기간(2015년 6월 11~12일)동안 (a) 한반도 주요 지역(빨간색-서울, 파란색-대전, 초록색-광주, 보라색-울산, 주황색-백령, 하늘색-봉성)의 에어로졸 산란계수와 에어로졸 흡수계수, 옹스트롬지수 및 블랙카본 질량농도의 시간별 시계열 그래프와 (b) PM2.5 이온성분 분석 53
Fig. 3-15. 2015년 6월 11~12일 00UTC의 지상일기도 54
Fig. 3-16. NRL/US Navy의 Monterey Laboratory NAAPS 모델의 지상층 미세먼지 농도 모의 결과(2015년 6월 11일 12UTC~2015년 6월 12일 06UTC) 55
Fig. 3-17. MAPS-Seoul캠페인에서 수행된 2015년 6월 12일 지상 PM10 농도의 앙상블 모델 모의 결과(왼쪽: 동아시아, 오른쪽: 한반도) 55
Fig. 3-18. 2015년 6월 11~13일 라이다로 관측한 (a) 서울, (b) 고산의 후방산란강도(위)와 편광소멸도(아래) 56
Fig. 3-19. (a) 사례 1(고농도 사례, 2015년 5월 14~16일)과 (b) 사례 2(황사 사례, 2015년 6월 11~12일)기간에서 에어로졸 산란계수와 흡수계수, 블랙카본 질량농도의 지역별 평균(막대-사례기간 평균, 십자가-2015년 5월~6월 평균) 57
Fig. 3-20. 장거리이동 연무사례(2012년 3월 4~8일)의 성분별(PM2.5, PM10, σsp) 시계열 그래프 58
Fig. 3-21. 황사사례(2011년 5월 10~14일)의 성분별(PM2.5, PM10, σsp) 시계열 그래프 59
Fig. 3-22. 장거리이동 연무사례(2011년 6월 1~5일)의 성분별(PM2.5, PM10, σsp) 시계열 그래프 60
Fig. 3-23. 서울지점에 대한 장거리이동 연무(5사례)와 도시연무(3사례)의 σsp시간규모 비교 그래프 61
Fig. 3-24. Anderson et al. (2003)연구에 제시된 4지점(BND, Spitz, ACE-Asia, LITE)에 대한 자기상관그래프 62
Fig. 3-25. 장거리이동 연무, 도시연무에 대한 σext와 Viseye의 관계 63
Fig. 3-26. 장거리이동 연무, 황사, 도시연무에 대한 (1-e-1) τa와 τcal 비교 64
Fig. 3-27. 장거리이동 연무사례(2012년 1월 11~15일)의 화학성분(Sulfate, Nitrate, Silicon, Calcium, Magnesium, Ammonium) 시계열 그래프 66
Fig. 3-28. 장거리이동 연무사례(2012년 5월 2~6일)의 화학성분(Sulfate, Nitrate, Silicon, Calcium, Magnesium, Ammonium) 시계열 그래프 67
Fig. 3-29. 장거리이동 연무사례(2013년 1월 10~14일)의 화학성분(Sulfate, Nitrate, Silicon, Calcium, Magnesium, Ammonium) 시계열 그래프 67
Fig. 3-30. 도시연무사례(2011년 6월 1~5일)의 화학성분(Sulfate, Nitrate, Silicon, Calcium, Magnesium, Ammonium) 시계열 그래프 68
Fig. 3-31. 도시연무사례(2012년 5월 11~15일)의 화학성분(Sulfate, Nitrate, Silicon, Calcium, Magnesium, Ammonium) 시계열 그래프 69
Fig. 3-32. 황사사례(2011년 4월 30일~ 5월 4일)의 화학성분(Sulfate, Nitrate, Silicon, Calcium, Magnesium, Ammonium) 시계열 그래프 69
Fig. 3-33. 황사사례(2011년 5월 10~14일)의 화학성분(Sulfate, Nitrate, Silicon, Calcium, Magnesium, Ammonium) 시계열 그래프 70
Fig. 3-34. 황사사례(2012년 11월 26~30일)의 화학성분(Sulfate, Nitrate, Silicon, Calcium, Magnesium, Ammonium) 시계열 그래프 71
Fig. 3-35. 에어로졸 종류 및 소산계수, 질량농도 산출 과정 모식도 77
Fig. 3-36. 2015년 3월 29일부터 3월 31일까지 서울대학교 라이다에서 관측하여 산출한 (a) 후방산란강도, (b) 편광소멸도, (c) 에어로졸 종류, (d) 에어로졸 소산계수, (e) 에어로졸 질량농도 79
Fig. 3-37. 2015년 3월 29일부터 3월 30일까지 서울 관악산 지상관측 에어로졸 질량농도(빨간색 실선)와 서울대학교 라이다에서 산출한 에어로졸 질량농도. (초록색: 서울 지역 평균 질량소산효율을 적용, 파란색: 에어로졸 종류 구분에 따라 질량소산효율을 다르게 적용하여 산출) 80
Fig. 3-38. 2015년 10월 18일~24일 PM10 농도의 일변화 81
Fig. 3-39. 2015년 10월 18일~24일 라이다로 관측한 (a) 서울, (b) 고산 그리고 (c) 울산의 후방산란강도(위)와 편광소멸도(아래) 82
Fig. 3-40. 2015년 10월 18일~24일 09시 지상일기도 84
Fig. 3-41. 국내 라이다 보유 및 관측 현황 88
Fig. 3-42. 국내 라이다 운영기관 및 관측 요소 88
Fig. 3-43. AERONET 관측소 90
Fig. 3-44. SKYNET/skyradiometer 관측소의 위치(빨간점) 91
Fig. 3-45. 국내 SKYNET 관측지점 및 자료기간 (http://metsat.snu.ac.kr/ksnet/data.php) 91
Fig. 3-46. 국내 SKYNET 관측지점에서 관측한 (a) 황사사례(노란색; 2011년 5월 13일)와 (b) 라이다 후방산란강도 및 편광소멸도와 (c) 연무사례(분홍색; 2012년 5월10일)와 (d)연무사례의 라이다 관측자료 92
Fig. 3-47. AR600 전면부 98
Fig. 3-48. AR600 Analyser housing 98
Fig. 3-49. Sweden OPSIS사의 DOAS 시스템 개략도(김영준, 2002) 99
Fig. 3-50. 대기에서 미량기체를 측정하기 위한 주요 광학부와 대기구성요소 요약 그림(Platt et al., 1994) 100
Fig. 3-51. 차등 흡수 스팩트럼 (김영준, 2002) 101
Fig. 3-52. Warm up 메세지 103
Fig. 3-53. 관측 중 모니터 화면 103
Fig. 3-54. (a) 대기 중 방해인자의 영향이 있을 때의 차등흡수스펙트럼(Differential absorption spectrum)과 (b) 방해인자의 영향이 전혀 없을 때의 차등흡수스펙트럼 105
Fig. 3-55. DOAS 알고리즘 순서도 107
Fig. 3-56. 2015년 8월 15~24일 두 가지 관측 시스템으로 관측한 시간평균 농도 (파란색-서울특별시 대기환경정보 시스템, 빨간색-차등흡수분광계(DOAS) 시스템) 108
Fig. 3-57. 두 가지 관측 시스템으로 관측한 오존, 이산화질소, 아황산가스의 농도 비교 108
Fig. 3-58. LPV-3의 Control unit 111
Fig. 3-59. LPV-3 Menu flowchart 113
Fig. 3-60. 수신기 전면 패널 114
Fig. 3-61. LPV-3 송신기의 모식도 116
Fig. 3-62. LPV-3 수신기의 모식도. 송신기에서 주사 되어 도달하는 빛을 모아서 감지하여 저기 신호로 변환, 그로부터 소산계수와 시정을 모두 계산하는 과정을 담당 117
Fig. 3-63. 자료처리 알고리즘을 적용하여 산출한 2013년 11월 호남권(광주) 시정 거리 시계열 117
Fig. 3-64. 미분형 전기 이동도 분석기를 이용한 입자 크기 측정실험장치도 118
Fig. 3-65. NIST SRM 1963의 입자 크기 분포 119
Fig. 3-66. 미분형 전기이동도 분석기의 calibration 결과 119
Fig. 3-67. TDMA 시스템의 모식도 120
Fig. 3-68. TDMA를 사용한 입자 크기 분류 121
Fig. 3-69. 2015년 7월 7일-11일의 입자 크기 분포 122
Fig. 3-70. 2015년 7월 9일의 입자 크기 분포 123
Fig. 3-71. 2015년 7월 16일의 입자 크기 분포 123
Fig. 3-72. 2015년 7월 16일의 시간에 따른 입자 크기분포의 변화 124
Fig. 3-73. 2015년 11월 9일부터 14일까지의 입자 크기 분포 변화 125
Fig. 3-74. 2015년 11월9일부터 14일까지 PM10의 측정 값 (기상청, 백령도) 126
Fig. 3-75. 2015년 11월 15일의 (a) HCT사 및 (b) TSI사의 SMPS 결과 비교 126
Fig. 3-76. HCT nano-SNPS 및 TSI SMPS의 측정 값의 비교 127
Fig. 3-77. 미세먼지 포집장치 (High volume PM2.5Particle Sampler, Tisch Environmental, Inc.) 128
Fig. 3-78. 석영필터에 걸러진 PM2.5 128
Fig. 3-79. 유기/원소탄소를 분리하기 위한 실험라인 모식도(Mouteva et al., 2015) 129
Fig. 3-80. 미국 얼바인(Irvine) thwo 캘리포니아 주립대학에 설치된 에어로졸 분석용 실험라인(Mouteva et al., 2015) 129
Fig. 3-81. 14C 분석결과를 이용한 원소탄소(elemental carbon)의 기원 추정 132
Fig. 3-82. 원소탄소의 화석연료 기원 비율. 외국 자료는 Zhang et al. (2014)과 Zhang et al. (2015) 자료를 이용하였다 133
Fig. 3-83. 질소와 탄소 안정동위원소값 비교. 인도와 탄자니아 대도시 자료는 각각 Agnihotri et al. (2011)와 Mkoma et al. (2014)를 이용하였다 134
Fig. 3-84. 질소안정동위원소(δ15N)와 탄소/질소 비율(Total C/Total N ratio)값 비교. 인도 자료는 Agnihotri et al. (2011)을 이용하였다 135
Fig. 3-85. 탄소안정동위원소(δ13C)와 탄소/질소 비율(Total C/Total N ratio)의 비교. 인도 자료는 Agnihotri et al. (2011)를 이용하였다 135
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