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대기환경모델링 연구실에서는 무엇을 연구하는가?

(1) 동북아시아(한·중·일) 미세먼지 장거리 이동 모델링 연구

한·중·일 3국을 포함한 동북아시아 지역에서 국경을 넘어 인접한 국가로 장거리 이동하는 월경성 대기 오염물질(Long-range Tran-sboundary Pollutants)을 다루는 한·중·일 공동 연구는 그 역사가 오래된다. 2000년대에서 한국을 포함한 동북아시아 미세먼지 농도는 소폭 증가하다가 최근에 와서는 3국이 모두 감소하는 추세이나, 고농도 횟수는 오히려 증가하고 있다. 동북아시아에서의 대기질 추세를 연구하기 위하여 한·중·일 3국이 모여 소위 한·중·일 공동 연구의 이름을 LTP(Long-range Transboundary Pollutants over Northeast Asia)라고 정하고 1996년 이후 불연속 없이 수행해 왔다. 한·중·일 LTP 사업을 통해 미세먼지 (PM2.5)의 장거리이동 특성과 국가별 영향을 파악하기 위하여 공동 모니터링과 모델링 비교 연구 등을 수행 중이다.

특히 한·중·일 3 국간 대기오염물질의 장거리 이동 (외부 유입) 기여도인 배출원-수용지 관계(Source-Receptor Relationship; S-R관계)를 도출하는 것은 동북아시아 대기질 정책을 세우는 데 중요한 연구 중 하나인데, 3국간 S-R 관계를 도출하기 위하여 기상 및 대기질 모델링 영역 및 격자 설정, 모델의 수평수직 해상도, 기상모델링 옵션 우선순위 등 대기질 모델링에 대한 수행방법을 체계적으로 연구하여야 한다. 아울러 모델링 결과를 항시 측정된 자료와 비교하여 모델 결과의 신뢰도를 확보하여야 하는데, 현재까지 3국은 LTP 라는 이름으로 1996년 이후 2016년까지 3국의 모니터링은 상시 및 장기(Long-term) 모니터링과 집중(Intensive) 모니터링으로 구분하여 측정 연구를 수행하여 그 결과를 분석하여 왔다. 분석 대상 한·중·일 3국의 관측 장소는 중국 3개 7지점(Dalian, Tuoji Island, Xiamen), 일본 2개 지점(Rishiri, Oki), 한국 4개 지점(Gosan, Ganghwa, Taean, Baengnyeong)이며, 해당 지역에서 상시 및 장기 모니터링 및 모델링 연구가 수행되어 동북아시아의 대기질을 감시하여 왔다. 부산대학교 대기환경과학과 대기환경모델링 연구실은 2002년부터 한·중·일 공동 연구에 주도적으로 참여하였고, 월경성 대기오염물질 연구에 있어서 한국 연구진을 대표하면서 한·중·일 3국의 연구진을 리드하여 왔다.

한·중·일 간 협의된 동북아시아 배경농도 측정소

모델링 연구에서 Source-Receptor(S-R) 관계를 계산하는 방법은 BFM, PSAT, HDDM 등 몇 가지가 있으며, 모두 모델을 이용하여 계산하는데, 지금까지 사용되는 대기질 모델은 CMAQ(Community Multiscale Air Quality model), WRF-Chem, CAMx 등 여러 가지가 있다. 현 대기환경모델링 연구실에서는 BFM(Brute-Force Method) 방식으로 3국간 미세먼지 농도 기여도를 계산하고 있으며, PM2.5에 대한 S-R은 한·중·일 지역을 적절히 몇 개의 배출원 및 수용지 지역으로 구분한 후, 구분된 BFM은 해당 지역의 배출량을 모델에서 다양하게 저감하여 그 결과로부터 계산한다.

  S-R 관계를 도출하는 방법론으로, EMEP(European Monitoring and Evaluation Program)에서는 CMAQ과 같은 오일러리안 대기질모델을 이용하여 BFM 방식으로 아래 그림에 제시된 것과 같은 4가지 방법론을 제시하고 있다. 4가지 방법론 중 첫 번째 방법론(Method-1)은 "Direct method"로써 A 지역의 오염물질 배출로 인한 주변 지역에의 영향을 확인하기 위하여 대상영역의 다른 지역의 배출량은 고려하지 않고(즉, 배출량이 없다고 가정하고), A 지역의 배출량만 고려하여 모델링을 수행하고, 그에 대한 결과를 분석하는 방법이다. 이 방법론은 비선형 반응 때문에 에어로졸의 생성결과가 과소평가된다는 단점이 있다.

BFM 방식에 의한 Matrix for SRR calculation (EMEP)

    그리고 첫 번째 방법론을 제외한 나머지 방법론들은 이와 같은 문제를 극복하기 위한 방법론들인데, 두 번째 방법론(Method-2)은 “Reverse method"로써 A 지역의 오염물질 배출로 인한 주변 지역의 영향을 확인하기 위하여 대상영역의 모든 지역의 배출량을 모두 고려한 모델링 결과(Base case)와 대상영역 중 A 지역만의 배출량이 없다고 가정한 모델링 결과의 차이를 보는 방법이다. 이 방법은 모델링 결과가 앞에서 설명한 첫 번째 방법보다 현실을 잘 반영한다는 장점이 있는 반면에 배출량의 변화가 크게 나타나는 지역의 주변지역에서 계산되어지는 침적량이 음의 값을 나타낼 수도 있는 단점이 있으며 이러한 현상은 세 번째와 네 번째 방법론 모두에서 나타난다. 세 번째 방법론(Method-3)은 두 번째 방법론과 유사하지만 A 지역의 배출량이 없다고 가정하는 대신 배출량의 10%만 감소시켜 결과를 분석하는 방법이다. 이 방법론은 두 번째 방법론보다 더 현실을 잘 반영한다고 평가되고 있다. 마지막으로 네 번째 방법론은 세 번째 방법론에서 언급되었던 모든 지역의 배출량을 고려하는 동시에 A 지역의 배출량을 10% 감소시키는 대신 A 지역의 원래의 배출량에 10%를 증가시켜 모델링을 수행하고, 그 결과와 Base case 결과와의 차이를 통해 A 지역에서 배출되는 오염물질의 주변 지역에의 영향 파악하는 방법이다.

대기환경모델링 연구실에서는 주로 방법 3을 이용하여 PM2.5에 대한 배출원-수용지 관계를 계산하였으며, 배출량 삭감폭은 20%로 하였다. 배출량 삭감폭은 LTP 한·중·일 회의에서 합의된 (LTP 2010) 부분으로 황산화물, 질소산화물의 침적량 계산에 이용되었던 삭감폭을 동일하게 이용하여 왔다. 또한 EMEP의 방법론은 비반응성 물질에 최적화 되어 있고, 비선형 반응에 대한 효과로 인해 에어로졸의 생성결과가 과소평가되며 (방법론 1), 배출량이 많은 중국 옆에 위치한 우리나라의 배출원-수용지 방법론 계산에서는 결과를 분석함에 있어서 주의를 기울여야 한다(방법론 3). 아직 모델에서의 초미세먼지 (PM2.5)에 대한 불확도가 다른 오염물질들에 비해 상대적으로 크다는 것도 결과 분석시에 필히 염두에 두어야 한다.

위 채택한 BFM방식으로 S-R 관계를 도출하면 아래의 식으로 계산되어진다.

여기서 i 는 배출원, j는 수용지이며, R(i,j) 는 i배출원이 j 수용지에 기여하는 기여율이 되며, i-20%는 배출원에서의 배출량을 20%로 삭감한 경우를 가리킨다. 위 수식을 통해 i, j 총 8개의 지역에 대하여 S-R 관계 matrix가 완성된다. 여기서 i=j 인 경우, 즉 S-R matrix에서 대각선 성분은 자체 기여율 (Self-Contribution) 성분이 된다.