동남권미세먼지연구관리센터

연구

동남권 미세먼지연구·관리센터

[연구Ⅰ]동남권 대기오염물질 배출 특성 규명 및 배출량 DB 구축

필요성

동남권역은 울산/부산/창원 등에 전국 최대규모의 국가산업단지들이 집중, 동해와 남해를 통한 조선, 해운 산업이 활발하여 대규모 항만시설들이 분포

동남권 대기질의 과학적 관리를 위해, 지역 특유의 배출원 분포특성을 고려, 최신 배출정보들을 기반으로 대기모델링 배출목록을 작성 및 검증/개선 체계 필요

연구목표

국가배출량 (CAPSS) 기반, 동남권역의 고해상도 배출원 자료구축 및 현행화

산단지역, 화력발전소, 항만 등 주요 오염원 배출 특성 분석

지상원격, 위성 자료 및 역모델링 기법 활용 하향식 배출량 생산 체계 구축

동남권역 미세먼지 주요 오염원 배출 특성 분석

  • 1 동남권역 인위적 배출원(산단지역, 화력발전소, 항만 등)의 분포와 대기오염물질 배출 특성(공간분포, 시간변화, 화학조성) 분석
  • 2 동남권역 자연 배출원의 분포와 배출 특성 분석

국가배출량(CAPSS) 자료 기반 물질별/권역별/배출원별 분포 특성 분석

  • 1 최신 CAPSS 배출량 자료 획득
  • 2 최신 CAPSS 자료 기반 대기오염물질 배출량의 권역별 배출원별 분포 특성 분석

동남권 지상원격, 위성 자료 및 역모델링 기법 활용 하향식 배출량 생산 방법 설계

  • 1 지상원격 및 위성 관측자료 수집
  • 2 앙상블 칼만 필터 기법과 WRF-Chem모델 사용, 역모델링* 시스템 test-bed를 구축
    * 배출량 역모델링 기법은 자료동화 기술을 이용하는 것으로 화학수송모델링을 이용하여 배출량의 함수로 모델농도를 계산하고, 계산된 모델농도와 측정자료의 차이를 최소화하는 방법
*CAPSS 2020, 과거 4년(2016~2019년)에 대해서 재산정 배출량(버전 6.0) 자료는 미 활용된 분석 결과

동남권역 물질별 배출원별 연 배출총량(CAPSS 2019)

1차-직접배출로 대기 중 초미세먼지 농도증가에 영향을 미치는 PM2.5의 경우에 제조업연소(manufactural combustion)와 선박(ship) 배출원에서 많이 배출

초미세먼지 생성의 주요 전구물질들 중 NOx는 도로이동오염원(on-road mobile)에서 가장 많이 배출

VOC는 유기용매 사용(organic solvent use) 부문에서 가장 많이 배출되고, 그 다음으로 산업공정(industrial process)에서 많이 배출

SO2는 산업공정에서 가장 가장 많이 배출되고, 그 다음으로 에너지 산업(energy industries) 부문에서 많이 배출

대기모델링 배출목록 작성 체계 예시

향후계획

CAPSS 2020 및 재산정 배출량 자료 입수 및 분석 예정

배출량 공간 할당용 대리변수로 활용할 수 있는 데이터들을 계속 수집

모델링 배출목록 작성 체계는 동남권역의 대기오염 배출특성을 잘 반영할 수 있는 형태로 개선

[연구Ⅱ]실시간 도시규모 대기질 예보 체계 구축 및 운영

필요성

국립환경과학원은 한반도 영역은 9-km 해상도로, 수도권 영역 3-km로 국가 대기질예보제를 운영 중, 권역별 좀 더 상세한 예보 정보 제공을 위해서는
도시규모 대기질 예보 체계를 구축하여 운영할 필요

동남권역 내 공단, 원자력 발전소 등에서 발생할 수 있는 위기 상황에서 대피, 피난 등의 의사결정을 위한정보(기상, 확산 등)를 신속 제공할 수 있는,
수십 m 이내의 해상도를 가지는 모델링 시스템이 필요

연구목표

동남권역 실시간 대기질 예보 모델링 시스템 구축
*권역 내 시/군 규모 예보 결과 표출 및 제공

전산유체역학 모델 기반으로 도시규모 상세 대기질 분석시스템 개발
*건물, 도로 규모 도시 지역에서 배출 감축 시나리오에 따른 대기질 분포특성 조사

지상원격, 위성 자료 및 역모델링 기법 활용 하향식 배출량 생산 체계 구축

WRF-SMOKE-CMAQ 연계 예보 체계 구축

  • 1 27-km, 9-km, 3-km 모사 영역에 대한 기본적인 예보시스템 구축
    *27-km, 9-km 모사영역은 국립환경과학원 예보시스템과 동일 설정, 동남권 영역에 추가로 3-km 모사영역을 설정
  • 2 배출량 자료로 국외는 MEIC, 국내는 CAPSS 자료 활용, 자연배출량은 MEGAN version 2.1, 대기화학 모델인 CMAQ 5.2 활용

전산유체역학(CFD) 모델을 기반으로 한 대기질 분석모델 구축

  • 1 공간해상도가 수 m에서 수십 m로 건물을 객체 단위로 분해하여 도시 지역의 상세 흐름과 대기질을 수치 모의
  • 2 전지구 화학 모델 GEOS-Chem의 대기화학반응 모듈을 차용
    *110가지의 화학종, 293가지의 화학 반응, 에어로졸 분석을 위해 열역학 모듈인 ISORROPIA II 모형을 활용

CAPSS (2019)와 MEIC COVID-19 (2019)의 배출 인벤토리를 활용하여 한국과 중국의 최신연도인 2019년을 대상으로하는 배출 인벤토리인 GMAP/SIJAQv3.0을 작성

KORUSv5, SIJAQv2, SIJAQv3 인벤토리 비교 (한국, 2019)(건국대 제공)

향후계획

WRF-CMAQ 모델링의 경우,

CMAQv5.4 새 버전이 배포되어 최신 버전을 활용할 예정
모든 입력장들이 준비가 되면 예보모델의 구축을 완성
모델의 구동 시간, 정확도 등의 분석을 통하여 최종적인 예보체계 및 표출을 위한 시스템 구축 예정

인위적 배출량인 SIJAQv3의 작성이 완료되어 하반기에 연구팀에 전달 예정
자연배출량은 MEGANv2를 현재 사용중이나 CMAQv5.4에서는 MEGANv3 이상의 모델이 필요

CFD 모델링의 경우,

부산, 울산지역을 중심으로 국지순환으로 인해 대기정체가 발생하면서 부산, 울산지역에 높은 미세먼지 농도가 나타난 기간을 대상 기간으로 선정하여 분석할 계획

[연구Ⅲ]입체관측 및 화학성분 감시 체계 구축

필요성

미세먼지 감시를 위해 미세먼지의 양적인 정보만을 파악할 것이 아니라, 지상 원격, 위성 등 광학/물리적 정보를 파악함과 동시에 화학성분 분석을 위한 지상 관측을 통합적으로 동시 수행할 필요

지상의 고정 관측망을 통한 모니터링의 공간 해상도 문제 해결을 위해 정기적/비정기적 mobile 관측 등의 다양한 방법을 통해 시/공간적 변화양상 추적 필요

미세먼지 성분 중 2차 생성 유기 에어로졸 생성 및 유해화학물질 거동 양상 파악을 위해, 관측을 통해서 VOCs 농도를 파악하는 것이 중요

연구목표

지상 원격자료(판도라, 라이다), 위성 자료(GEMS, TROPOMI 등) 수집 체계 구축

Mobile Lab. 기반 화학성분 자료 및 영남권 대기환경연구소 화학성분 자료 분석

유해대기물질 측정망과 광화학 대기오염물질 측정망 자료 분석

미세먼지 집중관측자료 수집 및 분석

  • 1 국가 및 지자체 운영 미세먼지 측정자료(중량, 이온, 탄소, 원소성분 등) 수집
  • 2 동남권 지역의 미세먼지 오염 특성과 고농도 사례 원인을 파악

지상 이동 측정플랫폼(Mobile Lab) 구축 및 선행연구 검토

  • 1 이동측정 플랫폼 구축(전기 자동차/전원공급장치, 측정장비, 데이터 로거 등), SOP 등 측정 프로토콜 구축 및 자료의 QA/QC
  • 2 다양한 도심 구조와 배출원을 가지는 측정 사이트 선정 및 측정지역의 도심구조 및 일반 기상패턴 등의 기초자료 확보

지상원격 관측 장비의 운용 및 자료의 수집 체계 구축

  • 1 미세먼지 광학특성(AERONET), 기체상물질 총농도(Pandora), 화학특성 관측 장비(SPARTAN) 관측 수행 및 자료 수집 체계 구축
  • 2 미세먼지 광학특성 자료를 이용한 원격탐사 기반 에어로졸 유형 구분 알고리즘 개발 및 고도화 연구 수행

위성자료의 수집 체계 구축

  • 1 동남권 대기질 입체관측을 위한 고해상도 위성자료를 수집, 관리 체계 구축
  • 2 위성기반 TOA 및 surface 반사도를 활용 AOD 직접산출 알고리즘을 개발, AI 기법 활용 알고리듬 고도화 및 개선
동남권 PM2.5 농도 공간분포 파악 (2020년)
초미세먼지(PM2.5) 및 나노미세먼지(UFP) 1차 시범 이동측정 관측자료 분석

부산항 인근에 위치하여 항만활동의 영향을 직간접적으로 받으며 교통 특성과 주변 환경이 상이한 부산항 인근 도로 2곳 (Route GM과 Route SD)을 측정 대상으로 지정 두 경로 인근에 대연동 도시대기측정소와 남구 AWS가 위치하여 국지 기상과 대기오염 정보 수집이 가능

경로 SD에서의 농도 분포는 전세계적으로도 매우 높은 농도에 해당 10년 전의 서울 도심 중심부에서 측정한 농도보다도 약 2배 높음

이러한 고농도는 경로 SD에서 총 교통량의 40%에 달하는 대형 트럭 통행량(HDV: heavy-duty vehicles)에 기인한 것으로 판단

향후계획

PM2.5 뿐만이 아닌 VOCs, O3, SO2, NO2 등 미세먼지의 전구체인 물질들의 공간분포를 파악 예정

초미세먼지(PM2.5) 및 나노미세먼지(UFP) 2차 시범 이동측정 수행

필터 기반의 SPARTAN 관측자료 분석
울산 UNIST 관측소의 필터 관측 결과, 수집 완료된 자료로 광학 특성 및 화학 성분 비중 분석 수행

다양한 위성자료 수집 및 분석 (GEMS, TROPOMI, CALIPSO 등)

AOD의 공간 분포 알고리즘 내의 입력변수별 기여도 분석을 통해 모델의 신뢰도 개선
동남권역 주요 도시에 대하여 고해상도 (250 m)로 산출된 AOD의 공간 분포 확인
설명 가능한 인공지능 (eXplainableArtificial Intelligence; XAI)의 일종인
SHAP (SHapley Additive exPlanations)의 적용을 모델 내의 각 입력변수 기여도를 평가

[연구Ⅳ]동남권역 해안 등 지형적 특성에 따른 대기확산 영향 규명

필요성

도시 내에서도 지리적 특징, 토지이용도에 따라 대기환경 특성은 상이하게 나타나는데, 특히 지형이 복잡한 동남권의 경우
국지 순환이 대기오염 이해에 있어서 중요

고농도 원인에 대한 기존 연구에서 대상지역 고유 지리·지형적 특징과 국지기상조건으로 인한 오염물질의 수송 및 축적에 의해서
고농도 현상이 나타난 것으로 밝혀짐

측정망 자료분석결과를 살펴보면 동남권의 경우 월별, 시간별 농도 추이에서 수도권과 다른 특성을 보여
국지적 차원에서의 특화된 연구 및 대기질 개선 정책 수립 필요

연구목표

동남권역 해안 등 지형적 특성에 따른 대기확산 영향 규명

해안선에 분포에 따른 대기오염물질 재순환 구조, 대기화학적 특성 파악

동남권 지역에 대한 국지 대기순환 관측 및 모델 자료 수집 및 특성 분석

  • 1 기상청 및 다양한 기관의 국지 대기순환 관측 및 모델분석 자료(ASOS, AWS, 레이더, 위성, KLAPS 등)를 수집
  • 2 수집한 자료를 기반으로 동남권 국지 대기순환의 시공간적 특성 분석

동남권에서의 대기 국지 순환과 대기오염물질 농도와의 관련성 파악

  • 1 선행연구 결과 정리, 관측자료 분석으로 동남권에서의 대기 국지 순환과 대기오염물질 농도와의 관련성에 대하여 정리
  • 2 종관장을 분류하여 국지 순환 발달 조건 별 구분을 통해 미세먼지 농도와 국지 순환의 시간적 변화를 분석
국지 순환 특성 연구를 위한 상세 바람 분석 자료 수집

복잡 지형을 따라 나타나는 바람길을 따라 미세먼지 농도의 변동이 있음을 확인
여름철 동남권역의 고농도 초미세먼지 발생원인은 국지순환에 의한 대기정체 조건에서 광화학 반응에 의한 2차 미세먼지 생성이 활발

동남권역에 대한 예보 시스템 구축과 함께 국지 순환에 대한 모델링 연구를 위한 상세 모델링 시스템 구축을 진행
예보 3km 도메인에서 동남권역을 상세하게 살펴볼 수 있는 1km 도메인 영역을 구성하고 1km에 대한 기상장 모델링 (WRF) 시스템 구성을 완료

향후계획

선행연구 결과에서 나타나는 특징들이 관측(기상, 대기오염)에서 어떻게 나타나는지에 대한 분석을 진행

1km 도메인에 대한 최적의 상세 모델링 시스템 구축 및 관측 자료와의 비교 분석을 통하여 모델을 통한 대기 국지 순환에 대한 모델링의 정확도 확인 예정

[연구Ⅴ]동남권역 대기환경 정책 이행평가 및 영향평가 지원

필요성

관련법에서는 정부와 지자체에게 관련 계획의 수립 및 이행/평가를 의무사항으로 규정
*정부는 「미세먼지 저감 및 관리에 관한 특별법」 제7조에 근거한 ‘미세먼지 저감 및 관리를 위한 종합계획’ 과 「대기관리권역의 대기환경개선에 관한 특볍법」 제9조는 권역별‘대기환경관리 기본계획’ 의 수립해야 함
*지자체는 미특법 제8조와 제9조 권역법 제10조에 따라 종합계획과 기본계획의 시행을 위한 시행계획 수립 및 추진실적 보고

동남권 계획의 이행/평가 시, 과학적/정책적 지원 정보 및 연구 결과 제공 필요

연구목표

동남권 대기환경관리기본계획 추진을 위한 각 시/도별 세부이행계획 평가 지원

권역 내 지자체별 배출저감 효과 (환경보건, 사회/경제 영향) 평가 지원

이행/영향평가 결과 기반, 동남권 대기환경 개선 최적화 경로 제시

동남권 대기환경관리 기본계획 추진을 위한 시/도별 시행계획 평가 지원

  • 1 상위 및 유관계획과의 정합성 및 일관성 평가
  • 2 지자체별 배출특성과 사업별 비용 대비 삭감효과 등을 고려한 종합평가

권역 내 지자제별 배출저감 효과 및 환경보건, 사회/경제 영향 평가를 위한 지원

  • 1 지자체별 배출저감 사업 이행실적 취합 및 삭감량 산정 연구 수행
  • 2 배출삭감량 평가의 불확도 파악 연구 결과 제시 및 개선방안 도출