Lagrangian-Eulerian Hybrid System을 이용한 대기오염물질의 Chemical History 추적
Tracking Chemical Histories of Pollutant Plumes Using a Lagrangian-Eulerian Hybrid System
- 주제(키워드) Lagrangian-Eulerian Hybrid System , CMAQ , HYSPLIT , IPR , Sulfate tracking
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 김순태
- 발행년도 2017
- 학위수여년월 2017. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 환경공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000024749
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
현재 대기질 예보에 사용되고 있는 Community Multiscale Air Quality(CMAQ) 모델은 대기 중 많은 화학 반응을 고려할 수 있으나, 자세한 공기궤 이동분석, 풍상지역 농도변화에 따른 풍하지역의 민감도 검토를 위한 반복적인 실험 및 과정분석을 수행하기에 시간적 제한이 존재한다. 반면에 NOAA ARL에서 개발된 Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory(HYSPLIT)는 쉽게 공기궤 이동을 파악할 수 있으며, 신속한 결과를 얻을 수 있으나 대기 중의 자세한 화학반응 고려는 어렵다. 이에 본 연구에서는 라그란지안 모델과 오일러리안 모델의 장점을 이용하여 국내 미세먼지 예보 시스템에 대하여 Lagrangian-Eulerian Hybrid System을 구축하였다. 이를 통해 선택된 공기궤의 이동에 따른 대기오염물질의 농도변화 및 물리·화학 과정의 특성을 파악하였다. 본 시스템에서 HYSPLIT의 유적선상의 CMAQ 격자를 파악하기 위하여 multi-dimensional polyline clipping 기법을 이용하였다. 이는 HYSPLIT의 출력자료로부터 한 시간 단위의 공기궤 위치를 파악하고 다음 시간까지 이동한 일직선상의 모든 격자를 파악하여 이동거리 및 체류 시간을 파악하는 방법으로. 이로부터 한 시간 동안 이동한 격자의 정보를 파악할 수 있다. 본 정보를 이용하여 CMAQ 격자에 대한 다양한 변수를 추출하고, 분석하여 공기궤 이동 과정에서 나타나는 오염물질의 농도 변화 특성과 변화 과정 파악에 사용하였다. 본 시스템을 장거리 이동 사례와 국내 순환 사례에 대하여 적용하여 각 사례에 대한 이동과정의 농도 변화 및 특성을 분석하였다. 본 분석은 농도 변화의 보다 자세한 분석을 위하여 process analysis(PA), sulfate tracking을 활용하여 설명하였다.
more초록/요약
A Lagrangian-Eulerian Hybrid System to track air parcels’ transport trajectory and their chemical history is developed to support particulate matter forecast in Seoul Metropolitan Area, South Korea. Since regional air quality has been a serious public concern in South Korea, establishing an accurate air quality forecast system is of great interest to improve environment and public health. Among various difficulties in regional air quality simulation and its operation, understanding characteristics of long-range transport of pollutants and/or their precursors is one of key challenges for South Korea as it is located in the downwind side of world’s most dominant anthropogenic emission sources. We have utilized an Eulerian air quality modeling system based on Weather Research and Forecasting model and Community Multi-scale Air Quality (CMAQ) modeling framework. Additionally process analysis simulation has been conducted to provide complete information on the chemical and physical processes within air parcel during the transport of pollutant plumes. National Oceanic Atmospheric Administration HYSPLIT system is utilized to track each air parcel’s transport. Trajectories from HYSPLIT are processed using multi-dimensional polyline clipping algorithm to perform a conservative sampling of Eulerian chemical and physical components to match for the air parcel’s flow trajectory. We summated chemical and physical changes obtained from PA outputs along the path-forward following the trajectories acquired from HYSPLIT back-trajectories. Once we obtained history of a pollutant plume, we adjusted the final concentrations based on observed concentrations at the starting point of trajectories. Results demonstrate a great synergy of the Lagrangian-Eulerian Hybrid System; further information from full chemistry simulation and process analysis of CMAQ in company with plume tracking capability and fast execution of HYSPLIT.
more목차
제1장 서론 1
1.1 연구 배경 및 목적 1
1.2 연구 범위 및 방법 4
제2장 이론적 고찰 5
2.1 광화학 대기질 모델 5
2.1.1. 기상모델 WRF 6
2.1.2. 배출량 모델 SMOKE 7
2.1.3. 광화학 대기질 모델 CMAQ 8
2.1.4. Process Analysis 10
2.1.5. Sulfate tracking 11
2.2 HYSPLIT 모델 12
2.3 Lagrangian-Eulerian Hybrid System 구성 13
제3장 모델 설정 및 hybrid 방법론 15
3.1 모델 설정 및 입력자료 마련 15
3.1.1. 기상모사 15
3.1.2. 배출량자료 마련 17
3.1.3. 대기질 모사 19
3.1.4. 유적선 분석 수행 23
3.2 Hybrid approach 방법론 24
제4장 실험결과 27
4.1 모델 수행 평가 27
4.1.1. WRF 모사 27
4.1.2. CMAQ 모사 29
4.1.3. 2월 평균 AERO module 검토 33
4.1.4. 2월 일평균 배출량 검토 36
4.2 Lagrangian-Eulerian Hybrid System 적용 결과 38
4.2.1. 사례1 : 장거리 이동사례 38
4.2.2. 사례2 : 국내 유입사례 53
제5장 결론 72
참고문헌 74
Abstract 78
