동북아 지역의 초미세먼지 거동에 대한 암모니아의 역할
The Role of Ammonia to Fate of Fine Particulate Matter in Northeast Asia
- 주제(키워드) 초미세먼지 , 암모니아 , 장거리 이동
- 발행기관 아주대학교
- 지도교수 김순태
- 발행년도 2020
- 학위수여년월 2020. 8
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 환경공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000030333
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
동북아 지역에서 풍상에 위치한 중국의 배출량 변화는 풍하에 위치한 한국 및 일본의 PM2.5 농도에 영향을 줄 수 있다. 본 연구에서는 이용 가능한 측정자료 및 대기질 모사 자료를 바탕으로 동북아 지역의 PM2.5 및 전구물질의 농도 현황을 파악하였다. 또한, 풍상 및 풍하 지역의 전구물질 배출량 변화에 따른 PM2.5 농도 변화를 NH3의 배출 불확도를 고려한 분석을 수행하였다. 동북아 지역의 경우 PM2.5 중 2차 무기성 물질의 비율이 높으나, 무기성 물질 생성에 핵심적인 역할을 하는 NH3 배출량 자료의 불확도가 크다. 따라서 대기질 모사를 바탕으로 배출량 관리에 따른 PM2.5 농도 영향 분석 시 NH3 배출량에 대한 불확도를 고려해야 한다. 이를 위해 중국 및 한국에 대한 NH3 배출량 조정을 바탕으로 민감도 실험을 수행하였다. 중국 및 한국에서 NH3 배출량 ±50% 변화 시 한국의 연평균 PM2.5 농도는 -18% ~ 13% 변화하였다. 계절별로는 농업 활동에 의해 NH3 배출이 증가하고 편서풍이 주요해지는 봄철에 풍상 지역 NH3 배출 변화에 따른 풍하 지역의 PM2.5 농도 변화가 가장 크게 나타났다. 이러한 PM2.5의 농도 변화는 무기성 물질 중 주로 NO3- 농도 변화에 의한 것으로 보인다. 중국 및 한국에 대해 무기성 오염물질에 대한 전구물질의 배출량을 35%씩 개별 삭감한 실험으로부터, 봄철 수도권 PM2.5 농도 감소에 NH3, SO2, NOx 중 NH3 배출의 관리가 가장 효과적인 것으로 나타났다. 수도권 PM2.5 농도에 대한 중국 및 한국의 NH3 배출 저감 효과는 NH3 배출량의 불확도에 관계 없이 유사한 수준이었다. 고농도 PM2.5 발생 시 무기성 물질의 농도가 증가함에 따라 상대적으로 NH3가 부족해질 수 있다. 따라서, 고농도 PM2.5 농도 감소에 NH3 배출량 관리가 효과적일 것으로 판단된다. 한편, NH3는 농‧축산 부문에서의 배출이 주요한 특성상 관리가 어려우므로, 동북아 지역에서는 PM2.5 농도 감소를 위해 주로 SO2 및 NOx에 대한 배출량 저감 정책을 시행하고 있다. 특히, 중국의 경우 2022년까지 SO2 및 NOx 배출을 35%가량 더 감축할 것으로 전망된다. 한국 PM2.5 농도에 대한 중국의 배출량 저감 영향을 풍상에서부터 PM2.5 형태로 유입되는 영향 (직접 영향)과 중간물질 (HNO3)로 유입된 후 한국 NH3와의 반응으로 생성되는 PM2.5 농도 영향 (교차 영향)으로 구분하여 살펴보았다. 대상 기간 동안 중국의 NOx 배출량 35% 감소 시 한국 PM2.5 농도에 대한 직접 영향은 4.6 ㎍/㎥ 증가하였다. 이는 동 기간에 한국으로의 대기오염물질 유입 영향이 높았던 중국의 Beijing-Tianjin-Hebei 지역에서 NOx-disbenefit effect에 의해 PM2.5 농도가 증가하였기 때문이다. 한편, 동일한 중국 배출량에 대한 민감도 실험에서 한국 PM2.5에 대한 교차 영향은 한국에 NH3가 풍부한 조건에서는 6.8 ㎍/㎥ 감소하였으나, NH3가 부족한 조건에서는 2.3 ㎍/㎥ 증가하였다. 최근 중국에서는 배출량 저감 정책에 따른 PM2.5 농도 개선이 보고되지만, 풍하 지역인 한국에서는 PM2.5 농도 개선이 뚜렷하게 나타나지 않고 있다. 직접 영향에 의한 PM2.5 농도 증가와 낮은 교차 영향이 이에 대한 원인 중 하나일 수 있다. 향후 한국 PM2.5 농도에 대한 동북아 지역의 SOx, NOx, NH3의 배출량 저감 영향을 정량적으로 평가하기 위해서는 Total NH3에 대한 농도 측정을 기반으로 NH3 배출량 및 농도 조건을 정확하게 파악해야 한다.
more초록/요약
This study investigated the fate of PM2.5 and its precursors in Northeast Asia based on the observations and air quality simulations. Previous studies show that SIA (secondary inorganic aerosol) in PM2.5 composition becomes predominant (up to 50%) as PM2.5 concentrations increase in Seoul, South Korea. It is well known that NH3 plays a critical role in the SIA formation, and thus it is important to understand how NH3 affects the SIA formation and transport in Northeast Asia. However, only a few studies have been conducted to elucidate the fate of NH3 including the emissions, reactions, transport, and removal processes over the region. To quantify how NH3 emission uncertainty has influence on PM2.5 concentrations and the upwind-to-downwind transport of SIA, a set of air quality simulations with perturbed SO2 and NOx as well as NH3 emissions have been carried out for year 2016. The estimated annual average PM2.5 concentration in Korea has changed between –18% to 13% with the changes of NH3 emissions in China and Korea by ±50%. For the seasonal variation, the change in monthly mean PM2.5 concentrations in the downwind area heavily have depended on the change in NH3 emissions of the upwind area in spring when NH3 emissions increase due to agricultural activities and more frequent long-range transport influence. This change in PM2.5 concentrations is mainly attributable to the change in NO3- concentrations. From a set of sensitivity simulations after reducing NH3, SO2, and NOx emissions in Korea and China by 35% individually in the spring, the reduction of NH3 emissions was analyzed to be the most effective precursor among three in reducing PM2.5 concentration in Korea. When a high PM2.5 event occurs, available NH3 may become insufficient as the concentrations of SIA increases. Therefore, the management of regional NH3 emissions becomes important for the reduction of high concentrations of PM2.5. Since ammonia emissions mainly from the agricultural and livestock sector are difficult to manage, PM2.5 management policy in Northeast Asia focuses on SO2 and NOx reduction. We analyzed the overall impact of precursor emission controls in upwind areas on PM2.5 in downwind areas with two types of impacts: “Direct impact” and “Cross impact”. The former refers to PM2.5 changes in downwind areas due to the changes in the transported PM2.5 itself whereas the latter represents PM2.5 changes due to on-site reactions between the transported gaseous precursors and intermediates (i.e. HNO3) originating from upwind areas and the locally emitted precursors (i.e. NH3) in downwind areas. The Direct impact on PM2.5 concentrations in Korea have increased by 4.6 ㎍/㎥ when the 35% reduction of NOx emissions in China during target period. This is because PM2.5 concentration increased due to upwind NOx-disbenefit effect. However, the Cross impacts led to a PM2.5 decreased of 6.8 ㎍/㎥ under NH3-rich conditions while a PM2.5 increased of 2.3 ㎍/㎥ under NH3-poor conditions. In the future, accurate NH3 conditions based on the measurements of total NH3 should be identified for the quantitative analysis of the impact of the reduction of precursor emissions in Northeast Asia on PM2.5 concentrations in Korea. In the future, comprehensive regional measurement networks to identify concentrations of the precursors and intermediate species including Total NH3 (= gaseous NH3 + NH4+) should be established to better understand the fate of air pollutants and the effect of their emission controls over Northeast Asia.
more목차
제 1장. 서론 1
1.1 연구의 배경 및 필요성 2
1.2 연구의 목표 및 방법 4
제 2장. 문헌 연구 6
2.1 동북아 지역의 PM2.5 7
2.1.1 동북아 지역의 PM2.5 및 성분 농도 7
2.1.2 2차 무기성 오염물질 9
2.1.3 PM2.5의 국가간 장거리 이동 13
2.2 동북아 지역의 배출량 및 PM2.5 농도 변화 15
2.2.1 전구물질 배출량 변화 추세 15
2.2.2 PM2.5 농도 변화 추세 17
2.2.3 배출량 및 대기오염물질 농도 변화 전망 19
2.3 PM2.5 농도에 대한 NH3 및 전구물질 배출 영향 21
2.3.1 동북아 지역의 NH3 21
2.3.2 NH3 및 전구물질의 배출 저감 영향 26
제 3장. 연구 방법 29
3.1 측정자료 30
3.1.1 지상 측정자료 30
3.1.2 항공 측정자료 31
3.2 대기질 모사 33
3.2.1 기상모사 33
3.2.2 배출량 모사 36
3.2.3 대기질 모사 45
3.3 영향 분석 50
3.3.1 기여도 분석과 영향 분석 50
3.3.2 본 연구에서 영향 분석 50
제 4장. 연구 결과 56
4.1 동북아 지역의 PM2.5 및 전구물질 농도 57
4.1.1 지표 농도 57
4.1.2 상층 농도 64
4.2 NH3 배출 조건에 따른 PM2.5 농도 68
4.2.1 연평균 PM2.5 농도 68
4.2.2 일평균 PM2.5 농도 72
4.2.3 월별 PM2.5 농도 77
4.2.4 성분농도 80
4.2.5 HNO3 수직적 농도 분포 88
4.2.6 중국 및 한국 NH3 배출 관리의 전략적 접근 95
4.3 배출 변화 영향 분석 시 풍하 지역 NH3 조건의 중요성 108
4.3.1 풍상 지역 SO2 및 NOx 배출과 PM2.5 농도 변화 108
4.3.2 풍하 지역 PM2.5 농도 변화 119
4.3.3 풍하 지역 NH3 조건에 따른 직접 영향과 교차 영향 126
제 5장. 결론 133
제 6장. 참고문헌 139
