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ISSN : 1225-4517(Print)
ISSN : 2287-3503(Online)
Journal of Environmental Science International Vol.26 No.2 pp.159-172
DOI : https://doi.org/10.5322/JESI.2017.26.2.159

Synoptic Meteorological Classification of the Days on Which Asthma Deaths Occurred Due to High PM10 Concentrations in Seoul

Yun-Jeong Choi, Jong-Kil Park1), Woo-Sik Jung2)*
SUNIL Engineering&Construction, Busan 48059, Korea
1)Department of Civil and Environmental Engineering/Atmospheric Environment Information Research Center, Inje University, Gimhae 50834, Korea
2)Department of Atmospheric Environment Information Engineering/Atmospheric Environment Information Research Center, Inje University, Gimhae 50834, Korea
Corresponding author: Woo-Sik Jung, Department of Atmospheric Environment Information Engineering/Atmospheric Environment Information Research Center, Inje University, Gimhae 50834, Korea +82-55-320-3932wsjung1@inje.ac.kr
October 19, 2016 November 7, 2016 November 8, 2016

Abstract

Asthma deaths in Seoul peaked on the third, fifth, and second days after the PM concentration exceeded the daily average concentration standard. We classified the synoptic meteorological conditions, based on the days involving such cases, into three categories. Type 1 included the meteorological condition likely to cause high air pollution concentrations in the leeward region, the dominant wind direction of which is the northwest. Type 2 included the meteorological condition likely to cause high air pollution concentrations due to the weak wind velocity under stable atmospheric conditions. Type 3 was when the passage low atmospheric pressure and the expansion of high atmospheric pressure occurred at the rear, indicating a meteorological condition likely to cause high air pollution, in certain regions. Type 1 occurred 11 times, with high concentrations of over 100μg/m2being observed in the southeastern part of Seoul. Type 2 occurred 24 times, often accompanied by a PM concentration of 100~400μg/m2. Type 3 occurred 11 times, and was accompanied by several days of yellow dust that accounted for the highest concentrations.


서울지역 미세먼지 고농도에 따른 천식사망자 사례일의 종관기상학적 분류

최 윤정, 박 종길1), 정 우식2)*
선일이엔씨
1)인제대학교 환경공학과/대기환경정보연구센터
2)인제대학교 대기환경정보공학과/대기환경정보연구센터
    Korea Meteorological Administration
    KMIPA 2015-8070

    1.서 론

    도시화와 산업화는 인간생활에 큰 도움과 편의성 을 제공하였지만, 이로 인해 발생하는 환경변화는 점 차적으로 인간의 삶에 불편함을 제공하게 되었다. 특 히, 다양한 원인으로 야기되는 대기오염현상은 동식 물의 생장과 인간의 건강에 여러 다양한 경로로 피해 를 미치고 있다. 그 중에서도 대표적인 호흡기계 질환 에 해당하는 천식은 유전적 요인과 환경적 요인이 합 쳐져서 생기는 대표적인 알레르기 질환으로, 담배연 기 등에 의한 실내오염뿐만 아니라 대기오염과 황사 등의 여러 외부 환경적 요인이 큰 영향을 미치는데, 주 로 산업화가 급격히 진행되거나 고도화된 국가에서 많이 발생한다(Akinbarmi and Schoendorf, 2002; Lin et al., 2005; Eder et al., 2006). 입자상 물질에 의한 대 기오염이 일 사망률을 증가시키는 주요 원인 (Schwartz, 1994)이 되는데, Pope et al.(1995)은 PM10 농도가 증가할수록 일 사망률 또한 비례해서 증가한 다는 결과를 제시한 바 있으며, Samet et al.(2000)은 PM10 농도와 호흡기 질환 사망자수와 높은 상관이 있 음을 보였다. 국내에서도 미세먼지 농도와 사망률에 관한 연구결과에서 미세먼지 농도와 일별 사망자 수 사이에 상관이 있음을 밝힌 바 있으며(Cho et al., 2003; Park et al., 2015), 호흡기와 심혈관 질환과 연 관이 높음을 제시하였다(Hong et al., 1999). 또한 Bae(2014)는 15세 미만의 사람에게서 PM2.5 농도가 10 μg/m3 증가할 때 천식 입원 위험이 1.05% 증가함을 나타내었으며, Borja-Aburto(1998)는 PM2.5 농도가 증가함에 따라 전체 사망률이 증가하는데, 특히 고령 자군(65세 이상)에서 호흡기 질환으로 사망하는 경우 가 증가하는 것을 제시한 바 있다. 이와 같이 미세먼지 농도와 천식 사망자수에 있어 상당한 연관성이 있다 는 점을 참고해 볼 때, 이들 미세먼지가 배출되어 시, 공간적으로 변화하는 농도 및 분포특성은, 결국 만족 스러운 인간생활에 있어 중요한 참고자료가 될 수 있 다. 즉, 미세먼지의 시, 공간 분포에 영향을 미치는 기 상상태에 대한 정보도출이 기본정보로써 매우 중요하 다고 할 수 있다. 그 중에서도 풍향, 풍속은 대기오염 물질의 이류, 확산에 영향을 미치므로 고농도 미세먼 지와 사망자가 많이 발생하는 사례 일에 대한 종관기 상학적인 분석이 요구된다.

    일반적으론 미세먼지의 지역적 농도 분포 및 변화 경향은 해당 지역 일대의 배출원에 1차적으로 영향을 받지만, 배출된 미세먼지의 확산 및 수송 과정은 주변 일대의 지형 및 지리적 특성, 그리고 풍향, 풍속 등의 기상학적 요인이 크게 영향을 미칠 뿐만 아니라, Park et al.(2015)의 연구에서 고농도 PM10은 천식사망자 발생과 큰 연관이 있음을 제시한 바와 같이, 지역적 고 농도 미세먼지 현상은 해당 지역 및 주변 일대에 거주 하는 주민들의 건강에 큰 영향을 미친다.

    이에 본 연구에서는 2000년부터 2012년까지 서울 지역을 대상으로 고농도 PM10 및 PM2.5와 천식 사망 자 수가 발생할 수 있는 종관 기상학적 유형을 분류하 고 각 유형에 따라 나타나는 고농도 PM10과 PM2.5의 분포 및 특성을 살펴보고자 하였다.

    2.재료 및 방법

    2.1.자료

    본 연구에서 사용한 PM10 자료는 서울시에 설치된 대기오염측정망 25개소에서 측정된 2000년부터 2012 년까지의 1시간 간격 자료이다. PM2.5 자료는 2005년 부터 2012년까지의 일평균 자료를 사용하였다. 천식 사망자 수 자료는 통계청에서 제공하는 사망원인 통 계자료 가운데 국제 질병 분류코드(ICD-10)가 J45, J46인 천식 관련 사망 전체 코드(J45, J45.0, J45.1, J45.8, J45.9, J46, J46.0)를 사용하였다.

    2.2.사례일의 선정

    본 연구에서는 환경기준을 초과하였던 고농도 일 과 이로 인해 발생하였던 천식 사망자 수를 분석하여 당시의 종관 기상상태를 분류 및 분석하고자 하였다. 연구기간동안 PM10, PM2.5의 일평균 농도가 각각의 기준을 초과하였을 때를 1회로 정의하여 그 빈도를 나 타내었고, 기준 초과일이 발생한 날의 천식 사망자 수 를 비교 분석하였다.

    Table 1은 PM10의 일평균 기준(100 μg/m3 )과 PM2.5 의 일평균 기준(50 μg/m3 )을 초과한 일수와 각 해당일 에 발생한 연간 천식 사망자수를 나타낸 것이다. 표에 나타난 바와 같이, PM10의 경우 연구기간동안 일평균 기준을 초과한 날은 총 443일로써 매년 약 35일 발생 하는 것으로 나타났으며, 연구기간동안 천식 사망자 수는 총 461명으로 나타나 연평균 약 36명의 천식사 망자가 발생하는 것으로 나타났다. 기준 초과일수는 2001년에 가장 많이 발생했으며, 다음으로 2002년, 2003년 순으로 나타났고 천식 사망자수는 2002년, 2001년, 2003년 순으로 많이 발생하였다. 연구기간인 13년 동안 상대적으로 기준 초과일수와 천식사망자수 가 많았던 연도를 보면, 순위에서 약간 차이가 있지만 2001년, 2002년, 2003년으로 동일하게 나타났다. PM2.5의 경우 연구기간 동안 일평균 기준을 초과한 일 수는 총 162일이었고 천식 사망자수는 총 110명으로 나타났다. 연간 일평균 기준을 초과한 일수와 천식 사 망자수는 각각 동일하게 2007년, 2006년, 2009년 순 으로 많았다.

    Table 2는 PM10과 PM2.5의 기준 초과일수와 해당 일의 천식 사망자수를 월별로 나타낸 것이다. PM10의 경우 기준 초과일수가 3월에 가장 많았으며 다음으로 2월, 4월 순으로 나타났고 천식 사망자수는 3월, 4월, 2월 순으로 높게 나타났다. PM2.5의 경우에는 기준 초 과일이, PM10과 달리, 2월, 1월, 4월 순으로 높게 나타 났으며 천식 사망자수는 2월, 1월, 3월 순으로 나타났 다. 계절별로 보면, PM10의 기준 초과일 수는 전반적 으로 봄철에 발생빈도가 높았으며 PM2.5는 겨울철에 높게 나타났고 여름철에는 기준 초과일수와 천식 사 망자수가 감소하였다.

    이상의 분석 결과를 바탕으로, 본 연구에서는 PM10 의 경우에는 기준 초과일수가 많았던 2001년과 2002 년, 2003년 각각의 2월과 3월, PM2.5의 경우에는 2006 년과 2007년 각각의 2월을 대상으로 고농도 발생 이후, 시간의 경과에 따른 일별 천식 사망자 발생 경향 을 살펴보았다(Table 3).

    고농도의 미세먼지 현상에 따른 천식 사망자 발생 은 고농도 발생 당일뿐만 아니라 이후 시간이 지나면 서 지속적으로 나타난다(Bae et al., 2008). 따라서 본 연구에서도 위에서 제시한 월들을 대상으로 선행연구 (Bae et al., 2008)에서 제시한 바와 같이, 고농도 오염 당일(lag0)에서 6일(lag6)까지 일별 사망자수를 살펴 보았다. 분석을 수행한 결과, 고농도 미세먼지에 의해 발생한 천식 사망자수는 고농도 발생일 이후 3일째 (lag3)에 가장 많은 사망자가 발생하였고, 다음으로 5 일째(lag5), 2일째(lag2)에 많은 사망자가 나타났다.

    따라서 본 연구에서는 위에서 분석대상으로 설정 한 월 중에서 고농도 발생일 이후 3일째와 5일째, 2일 째 중에서 가장 많은 일별 사망자가 발생했던 2001년 2월, 3월, 2002년 2월, 3월, 2003년 2월, 2007년 2월을 대상으로 각 월별 고농도 발생일의 지상일기도와 그 전날의 지상일기도를 분석하여 고농도가 발생한 날의 종관 기상학적 유형을 분류하였다(Table 4).

    3.결과 및 고찰

    겨울철 고농도 미세먼지 발생일의 종관기상학적 특성은 이동성 고기압의 가장자리 또는 중심에 위치 하거나, 대륙성 고기압 가장자리에 위치하여 북서 풍 계열의 바람이 유입될 때 고농도 미세먼지가 발생 하는데(Jeon, 2012), 봄철 황사 현상이 발생할 때의 종 관 기상장을 보면 한반도에 한랭전선을 동반한 지상 저기압이 통과하고 후면의 고기압 영향권에 들면서 황사 현상이 오래 지속된다(Gang, 2003).

    본 연구에서는 이들 선행연구 결과를 참고하여, 앞 서 Table 4에 제시한 날의 일기도를 분석하여 3가지의 종관 유형으로 분류하였다. Type 1은 한반도가 대륙 성 고기압의 영향권에 놓여서 대기상태는 비교적 안 정하지만 북서풍의 유입으로 인해 서울지역의 풍하방 향에 고농도 대기오염이 발생할 가능성이 있는 유형 이다. Type 2는 한반도가 이동성 고기압의 영향권에 놓여서 안정한 대기상태를 보이며 바람 또한 약하게 형성되어 대기의 환기효과가 좋지 않을 수 있는 조건 으로 고농도 대기오염이 발생 가능한 기상장 유형이 다. Type 3은 한반도 상공으로 저기압이 통과하고 그 후면에서 확장하는 고기압의 영향을 받는 유형이다. 이 유형의 기상조건에서는 점차적으로 대기가 안정되 면서 저기압에 의해 상승한 황사 및 미세먼지가 지표 부근 미세먼지 농도에 영향을 주어 고농도 대기오염 을 야기할 수 있는 종관 유형이다.

    연구대상 기간 동안 Type 1은 11회 발생하였으며 (Table 5), Type 1의 대표 종관기상유형인 2002년 3월 1일의 종관일기도를 보면 중국 북부지역에 중심을 둔 대륙성 고기압의 영향으로 한반도가 고기압권에 속하 며, 한반도에 북서풍이 나타나고 있다(Fig. 1a). Type 2는 24회 발생하였으며, Fig. 1b에 나타난 대표 종관 기상일의 일기도를 보면 대륙성 고기압이 약해져 변 질되면서 한반도가 이동성 고기압의 영향으로 고농도 대기오염을 야기한 유형이다. Type 3은 11회 나타났 으며, Fig. 1c에 나타난 바와 같이, 황사가 한반도에 영 향을 미치기 2~3일 전에 황사발원지에서 저기압이 나 타나고 그 후면에 고기압이 위치하면서 한반도로 진 행하여 고농도 대기오염이 나타난 유형이다.

    본 연구에서 분류한 3가지 종관 유형별로 서울시 PM10 농도 분포가 어떠한 특징을 보이는 살펴보기 위 하여 각 유형별(Type 1, Type 2, Type 3)로 농도가 놓 았던 각각의 3일을 대상으로 PM10농도의 수평분포를 살펴보았다.

    Type 1의 경우(Fig. 2), 중국 북부지역에 고기압 중 심이 위치하여 한반도가 북서풍의 영향권에 놓이는 조건으로, 고농도일 이었던 2002년 3월 1~2일의 농도 분포도를 보면, 서울지역에서 풍하측에 해당하는 서 울의 남동부 지역이 높은 농도를 보이고 있다. 2001년 3월 19일은 Type 1에서 가장 높은 농도를 나타내었던 사례일 이었으나, 고농도 발생시간대에 서울지역 남동 지역의 PM10 농도자료가 없어 이 지역에서의 정확한 농도경향을 알 수가 없다. 하지만 Fig. 3에 나타난 바 와 같이, 고농도일 이전 시간대별 PM10 농도분포 보 면, 시간이 지남에 따라 서울 남동쪽 지역에서의 농도 가 높아지고 있음을 볼 수 있다.

    따라서 한반도가 대륙성 고기압의 영향을 받는 Type 1에 해당하는 기상조건에서는 대륙성 고기압의 장출에 의해 풍하방향인 서울시의 남동부 지역에서 고농도 오염현상이 나타날 가능성이 높을 것을 알 수 있다.

    Type 2는 한반도가 이동성 고기압의 영향을 받는 경우로 안정한 대기조건에 의해 지표부근의 PM10의 환기효과가 약하여 서울지역에서의 고농도 PM10 현 상이 나타날 가능성이 있다. Fig. 4를 보면, Type 2의 고농도 사례일 3일 모두 서울의 중심지역에서 높은 PM10 농도분포 경향을 보이고 있다. Type 3의 고농도 사례일인 2002년 3월 21일, 22일은 황사현상아 니타 난 경우로써 3일 모두 서울의 중심지역과 남동쪽에서 농도가 높게 나타났다(Fig. 5).

    종관유형(Type)별 PM10 농도분포가 서울시 각 지 자체(구)별로 어떠한 특징을 나타내는지 정량적으로 알아보기 위해 현행 기상청의 황사 특보단계별 발생 빈도를 조사하였다.

    Table 6은 각 종관유형별로 사례일 전체의 PM10 농 도 최소값, 최대값, 그리고 평균 농도값을 나타낸 것이 다. 이 중에서 Type 2와 Type 3 유형의 경우, 황사발 생일이 있었으므로 황사일을 포함한 전체사례일(all day)에 대한 농도, 황사기간을 제외한 사레일 (removed Asian dust day)에 대한 농도, 그리고 황사 발생일(Asian dust day)만의 농도로 구분하여 나타내 었다.

    Table 79는 각 종관유형별 일평균 PM10 농도가 100 μg/m3 이내, 100 400 μg/m3 , 400 800 μg/m3 , 800 μg/m3 이상의 4 단계별로 빈도를 서울시 각 지자체별로 나타 낸 것이다.

    Type 1의 경우(Table 7), 대부분의 지자체에서 100 μg/m3 이상의 일평균 기준을 초과하였으나, 400μg/m3 이상의 고농도는 나타나지 않았다.

    Type 2의 경우(Table 8)에도 대부분의 지역에서 100 μg/m3 이상 400 μg/m3 미만의 농도를 나타내었으며, 총 24일 중 2001년 3월 22일에 일부 지자체인 종로구, 성동구, 강동구, 강북구에서 400 μg/m3 이상 800 μg/m3 에 해당하는 농도를 보였다(Fig. 6). 이 유형은 한반도 가 이동성 고기압의 영향을 받으므로 미세먼지의 장 거리 수송보다는 서울시 내부에서 배출되는 오염원이 위치하는 곳에서 고농도가 나타나므로 서울의 중심 에 해당하는 지자체에서 고농도가 나타나 이동성 고 기압에 의한 종관기상학적 특성를 잘 반영하고 있음 을 알 수 있었다.

    Type 3의 경우(Table 9)에는 총 11일 중 2002년 3 월 18일과 21일, 22일에 일부 지자체에서 400 μg/m3 ~ 800 μg/m3 구간과, 800 μg/m3 이상의 구간에 해당하는 농도값이 나타났으며, 가장 고농도가 나타났던 2002 년 3월 21일에 주로 서울의 한강 주변 구, 남동쪽에서 높은 농도분포를 보였다(Fig. 7).

    4.결 론

    본 연구에서는 서울지역을 대상으로 미세먼지 고 농도와 천식 사망자수가 발생한 사례일을 대상으로 기상상황별 특징을 살펴보기 위하여 종관기상학적 유 형을 분류하고 유형별 미세먼지 농도분포의 특성을 분석하였다.

    서울지역의 경우, 천식 사망자 발생은 일평균 기준농 도값을 초과하는 고농도 현상이 발생한 이후 3일째와 5일째, 그리고 2일째 되는 날에 많이 나타났으며, 이 러한 사례를 보인 날들을 대상으로 종관기상학적

    유형을 분류한 결과 3가지 유형(Type 1, Type 2, Type 3)으로 나눌 수 있었다.

    Type 1 유형은 시베리아 고기압 형(Siberian High, SH type)의 영향으로 한반도 상공의 대기는 안정하 나 북서풍이 유입되면서 서울지역의 풍하방향에 위 치한 지역에 고농도 대기오염이 발생할 가능성이 있 는 기상조건이며, Type 2 유형은 이동성 고기압 형 (Migratory Anticyclone, MA type)의 영향으로 한반도 일대의 대기가 매우 안정하고 바람이 약하여 고농도 대기오염이 일어날 수 있는 기상조건을 보였다. Type 3 유형은 저기압 통과 후 고기압 발달 형(Developing High after passing L\low, DHL type)으로 한반도 상 공으로 저기압이 통과하고 그 후면에 고기압이 확장 하는 유형으로, 대기는 점차적으로 안정해 지지만 다 가오는 저기압에 의해 상승한 미세먼지 및 황사가 확 장하는 고기압의 영향으로 하강하며 지역에 따라 고 농도 오염을 야기할 가능성이 있는 조건을 보였다.

    연구기간동안 Type 1 유형은 총 11회 발생하였으 며 강한 북서풍에 의해 서울의 남동부지역에 100 μg/m3 이상의 고농도 미세먼지 현상이 발생하였으며, Type 2 유형은 총 24회 발생하여, 안정한 대기조건에 의해 미세먼지가 확산되지 못하여 서울시 전역에 고 농도 오염을 유발하여 100 ~ 400 μg/m3 의 농도가 주로 나타났으며, 400 ~ 800 μg/m3 에 해당하는 농도를 나타 내는 경우도 나타났다. Type 3 유형은 총 11회 발생하 였는데, 이 유형에 해당하는 사례일 중에서 황사발생 일이 많아서 다른 유형에 비해 비교적 높은 농도(800 μg/m3 이상)가 나타나는 경향을 보였으며, 서울의 한 강 일대와 남동부 지역에 고농도 미세먼지 현상을 볼 수 있었다.

    감사의 글

    이 연구는 기상청 기상산업지원 및 활용기술 개 발사업(KMIPA 2015-8070)의 지원으로 수행되었 습니다.

    Figure

    JESI-26-159_F1.gif

    Surface weather chart for (a) Type 1, (b) Type 2, (c) Type 3.

    JESI-26-159_F2.gif

    Daily mean PM10 concentration distribution in cases of Type 1.

    JESI-26-159_F3.gif

    PM10 concentration at (a) 1500 UTC, (b) 2100 UTC March 18, 2001, (c) 0300 UTC, (d) 0900 UTC, and (e) 1500 UTC March 19, 2001.

    JESI-26-159_F4.gif

    Same as Fig. 2, except for Type 2.

    JESI-26-159_F5.gif

    Same as Fig. 2, except for Type 3.

    JESI-26-159_F6.gif

    Distribution of daily average PM10 concentration in case of type 2.

    JESI-26-159_F7.gif

    Same as Fig. 6, except for type 3.

    Table

    The number of annual days which exceed the daily mean standard for PM10 and PM2.5

    *: The data of begins from November 2005

    The same as Table 1, except for monthly days

    *: The data of PM2.5 begins from November 2005

    The number of daily Asthma deaths since high PM is occurred

    Study period for synoptic weather analysis

    Classification by synoptic meteorological type

    Daily average PM10 concentration for each type

    The number of days by concentration range in case of type 1

    Same as Table 7, except of type 2

    Same as Table 7, except of type 3

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