남한 초미세먼지 농도에 대한 기상 및 배출영향 장기 변화
Long term Impact of Meteorology and Emissions on PM2.5 Concentrations in South Korea
초록/요약
본 연구는 2015~2020년간 남한의 PM2.5 농도 감소 원인을 기상과 배출요인, 그리고 국외 및 국내 배출영향으로 구분하여 살펴보았다. 이를 위하여 관측자료와 3차원 광화학 모델로 모사된 농도를 기반으로 중국과 남한 PM2.5를 비롯한 대기오염물질 농도의 6년간 변화 추세와 국외 배출이 남한 PM2.5 농도에 미치는 영향을 정량 분석하였다. 2015~2020년 사이 중국과 남한의 PM2.5 농도는 각각 8.4, 5.9%/year의 감소율을 보였으며, 중국에서 PM2.5 농도가 남한 PM2.5에 비해 30% 빠르게 감소하였다. 남한 PM2.5 농도 감소에서 기상요인은 2018년을 기점으로 다른 양상을 보였다. 2015~2018년 사이 남한의 PM2.5 농도는 배출과 기상요인에 의해 각각 1.7 µg/m3 (51%), 1.6 µg/m3 (49%) 감소하였다. 그러나 2018~2020년에는 남한 PM2.5 농도가 배출요인에 의해 4.4 µg/m3 (103%) 감소하였으며, 기상요인에 의해서는 0.1 µg/m3 (3%) 증가하였다. 백령도 대기환경연구소에서 PM2.5 성분 농도 중 황산염과 암모늄은 2018년까지 감소 추세를 보인 후 2019년에 증가하였으나, 질산염은 2015년 이후로 지속적으로 증가하였다. 이는 풍상지역인 중국에서의 SO2 및 NOx 배출량 감소에 따른 영향으로 판단된다. 더불어 중국은 연평균 PM2.5 농도와 고농도 일수가 함께 감소추세를 보였으나, 남한은 연평균 PM2.5 농도가 지속적으로 감소하는 것과 달리 고농도 PM2.5 사례는 2017~2019년에 증가하였다. 이는 대기가 정체하는 기상조건의 빈도수가 증가하며 해당 기간 동안 국외 배출영향이 증가하였기 때문으로, 풍상지역에서 배출량 저감에 따른 PM2.5 농도가 장기적으로 감소하는 것과는 달리 단기적인 영향은 풍하 지역에서 다르게 나타날 수 있음을 의미한다. 따라서 남한 PM2.5 농도에 대한 국외 배출영향을 올바르게 이해할 필요가 있다. 남한 PM2.5 농도에 대한 국외 기여농도의 변화 추세를 살펴보기에 앞서 국가간 배출영향 분석 시 풍하 지역인 남한에서 고해상도의 모사를 위해 Multiscale tiered 기여도 분석 방법을 제안하였다. 27-km 수평해상도의 모사 (27-km 모사)와 9-km 수평해상도의 모사 (9-km 모사)에서 추정된 국외 기여농도 차이는 17개 시도에 대한 분석에서 4% 내외였으나, 250개 기초 지자체에 대한 국외 기여농도 분석 시 최대 10%로 증가했다. 이는 9-km 모사가 지역 배출량의 공간해상도가 높고, 해안선과 행정구역의 경계선을 27-km 모사에 비해 상세하게 재현하기 때문이다. 따라서 대기질 개선 정책을 수립함에 있어서 국가간 및 지역규모의 기여도 분석을 수행할 때 고해상도 모사 결과를 이용하기를 제안한다. 풍상의 배출 변화가 국내와 같은 풍하 지역에서 중요하다는 점은 동북아 대기질 모사에서 풍상에 대한 배출 변화를 정확하게 반영할 필요가 있음을 의미한다. 다만 대기질 모사에 이용하는 배출목록은 작성에 소요되는 시간으로 현시점과 2~3년 이상의 시간차가 있으며, 이는 최근 연도에 대한 대기질 모사 불확도를 유발하는 원인 중 하나이다. 또한, 풍상지역에 대한 모사 불확도는 장거리 이동에 따른 풍하 지역에서의 배출원-수용지 분석의 불확도로 이어질 수 있다. 따라서 풍상의 관측-모사 농도의 비를 바탕으로 국외 기여농도를 보정하였다. 2015~2020년 기간 동안 배출목록이 서로 다른 두 모사에서 보정 후 국외 기여농도는 8.6~14.1 µg/m3 (43~52%), 8.0~13.5 µg/m3 (44~55%)로 산정되었다. 보정 전 두 모사의 국외 기여농도는 매년 5.0 µg/m3 내외의 차이를 보였으나, 보정 후 1.0 µg/m3으로 차이가 감소하며 비교적 유사한 결과를 보였다. 보정 후 국외 기여농도는 2015년 대비 2020년에 5.5 µg/m3 감소하였다. 풍상지역의 관측-모사 농도의 편차를 이용한 풍상 기여농도 보정 방법은 중국의 최근 배출저감 현황을 반영한 국외 배출영향 평가에 도움이 되었으며, 해당 결과는 배출현황을 반영할 수 없는 제한상황에 외부 지역으로부터의 배출 영향을 올바르게 평가하는데 도움이 될 수 있다.
more목차
제 1장. 서론 1
1.1 연구 배경 및 필요성 2
1.2 연구 목표 및 범위 4
제 2장. 문헌 연구 6
2.1 동북아 지역 배출량 추세 7
2.1.1 중국 배출량 7
2.1.2 남한 배출량 11
2.2 배출목록의 불확도 13
2.3 대기질 농도 변화의 배출과 기상요인 분리 방법 16
2.4 국가간 이동에 따른 풍상 배출량의 기여도 18
제 3장. 연구 방법 23
3.1 관측자료 24
3.1.1 지표 관측자료 24
3.1.2 위성 관측자료 26
3.2 배출과 기상요인 분리 27
3.3 대기질 모사 29
3.3.1 기상 입력자료 29
3.3.2 배출량 입력자료 31
3.3.3 대기질 모사 33
3.4 배출영향 분석 방법 34
3.4.1 Multiscale tiered 기여도 분석 34
3.4.2 기여농도 및 기여율 산정 방법 36
3.5 풍상지역 기여도 보정 38
3.6 대기질 모사 결과 분석 시 수용지 정의 41
제 4장. 연구 결과 43
4.1 모사수행평가 44
4.1.1 기상 모사 평가 44
4.1.2 대기질 모사 평가 47
4.2 최근 동북아 지역의 대기질 변화 추세 및 배출과 기상요인 구분 55
4.2.1 연간 농도 변화 추세 55
4.2.2 배출요인과 기상요인의 구분 66
4.2.3 황산염과 질산염 농도의 변화 72
4.2.4 일평균 PM2.5 고농도 일수 82
4.3 배출원-수용지 분석 방법에 따른 남한 PM2.5의 국외 배출영향 비교 89
4.3.1 모사영역별 PM2.5 국외 배출영향의 공간분포 89
4.3.2 광역 및 기초 지자체의 국외 기여율 92
4.3.3 국외 배출영향의 월간 변동 94
4.3.4 수용지 정의에 따른 국외 배출영향 95
4.3.5 모사영역별 기상 및 배출량 비교 99
4.4 관측 및 모사자료 기반 남한 PM2.5 농도의 국외 기여농도 보정 103
4.4.1 연평균 및 월평균 PM2.5 모사 편차 103
4.4.2 풍하지역 PM2.5 농도에 대한 국외 기여농도 보정 107
4.4.3 풍하지역의 PM2.5 농도 및 국외 기여율 110
4.4.4 단기 기여농도 보정 - COVID-19 기간 일평균 기여도 보정 112
4.4.5 풍상 기여농도 보정 방법의 불확도 115
제 5장. 결론 122
제 6장. 참고문헌 127
Abstract 140
