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ISSN : 1225-4517(Print)
ISSN : 2287-3503(Online)
Journal of Environmental Science International Vol.26 No.5 pp.621-638
DOI : https://doi.org/10.5322/JESI.2017.26.5.621

Meteorological Characteristics related to the Variation in Ozone Concentrations before, during, and after the Typhoon Period in the Korean Peninsula

Hyeonjin Shin, Sang-Keun Song1)*
National Center for AgroMeteorology, Seoul 08826, Korea
1)Department of Earth and Marine Sciences, Jeju National University, Jeju 63243, Korea
Corresponding author: Sang-Keun Song, Department of Earth and Marine Sciences, Jeju National University, Jeju 63243, Korea +82-64-754-3431songsk@jejunu.ac.kr
March 7, 2017 April 4, 2017 April 11, 2017

Abstract

Meteorological characteristics related to variations in ozone (O3) concentrations in the Korean peninsula before, during, and after Typhoon Talas (1112) were analyzed using both observation data and numerical modeling. This case study takes into account a high O3 episode (e.g., a daily maximum of ≥ 90 ppb) without rainfall. Before the typhoon period, high O3 concentrations in the study areas (e.g., Daejeon, Daegu, and Busan) resulted from the combined effects of stable atmospheric conditions with high temperature under a migratory anticyclone (including subsiding air), and wind convergence due to a change in direction caused by the typhoon. The O3 concentrations during the typhoon period decreased around the study area due to very weak photochemical activity under increased cloud cover and active vertical dispersion under a low pressure system. However, the maximum O3 concentrations during this period were somewhat high (similar to those in the normal period extraneous to the typhoon), possibly because of the relatively slow photochemical loss of O3 by a H2O + O(1D) reaction resulting from the low air temperature and low relative humidity. The lowest O3 concentrations during the typhoon period were relatively high compared to the period before and after the typhoon, mainly due to the transport effect resulting from the strong nocturnal winds caused by the typhoon. In addition, the O3 increase observed at night in Daegu and Busan was primarily caused by local wind conditions (e.g., mountain winds) and atmospheric stagnation in the wind convergence zone around inland mountains and valleys.


한반도 태풍영향 전·중·후 시기동안 오존농도 변화에 관한 기상특성 분석

신 현진, 송 상근1)*
국가농림기상센터
1)제주대학교 지구해양과학과
    Jeju National University

    1.서 론

    일반적으로 대류권 오존(O3)의 농도 변화는 O3과 전구물질의 광화학 반응에 의한 생성, 대상지역의 지 리·지형적 특성 및 기상조건(종관 및 국지기상, 수송 등), 성층권으로부터의 유입 및 대류권 공기와의 혼합, 그리고 습성 및 건성 침적 등에 의해 복합적으로 나타 난다(Kim and Park, 1998; Mayer, 1999). 특히, 종관 규모 기상조건(예, 정체 또는 서행하는 고기압)은 지 역 및 국지 규모의 수송을 결정하는 중요한 인자로 작 용하여 O3의 시·공간적 농도 분포에 크게 영향을 미친 다(NARSTO, 2000; Oh, 2003; Song et al., 2014). 고 기압 시스템 및 이와 관련된 큰 규모의 대기정체는 상 층 역전에 의한 연직적인 대기확산능력을 저하시켜 약한 풍속과 강한 일사가 존재하는 환경을 만든다. 이 러한 환경은 O3의 생성과 축적에 적합한 대기조건을 제공한다(Oh, 2003). 뿐만 아니라 고기압 정체부분 가 장자리의 강한 기압경도는 축적된 O3의 장거리 수송 을 유도하며, 하층제트 역시 수송효과를 통해 특정지 역의 고농도 O3 현상에 영향을 준다(NARSTO, 2000). 이와 관련하여 중국의 대도시 등지에서 축적된 O3이 이동성 고기압의 가장자리를 따라 우리나라(서울)로 장거리 수송되어 야간 O3 농도 상승을 유발한 사례가 있다(Oh, 2003). 한편, 종관장의 영향이 약한 경우에 연안지역에서는 대표적 중규모 국지순환계인 해륙풍 계가 주로 형성되고, 내륙지역에서는 지형의 굴곡과 경사에 의한 산곡풍계가 형성될 수 있다. 이러한 하루 주기의 해륙풍과 산곡풍은 O3 농도의 일변화와 밀접 한 관련이 있다(Chang et al., 1989).

    앞서 언급한 고기압 등의 종관 기압배치나 국지순 환계 외에 저기압 시스템도 O3 농도 변화에 영향을 미 친다. Oh(2003)는 O3 농도가 대상지역 고유의 지리적 위치에 따라 저기압 시스템과도 관련을 가지며, 열대 저기압의 이동과 관련한 기류순환 역시 O3 농도 상승 에 영향을 미칠 수 있음을 밝혔다. Fu et al.(2013)은 태풍의 연직와도를 동반한 깊은 대류가 상부 대류권 과 하부 성층권에서의 O3 농도 변화에 중요한 영향을 미친다는 사실을 밝혔다. 이외에도, 홍콩에서의 고농 도 O3 현상은 홍콩의 남동쪽 또는 동쪽 바다(필리핀의 루손 섬과 대만 근처)에 강한 열대저기압이 존재하고 홍콩 영토가 기단의 넓은 침강구역에 위치하는 종관 패턴일 때 자주 발생하는 경향을 보였다(Lam, 2014). 이는 기단의 넓은 침강구역이 구름의 소산을 증진시 켜 구름이 적고 기온이 높은 환경, 즉 광화학 반응이 활발한 환경을 유도하기 때문이다. 또한 이때 북서쪽 혹은 남서쪽의 상류지역에서 불어오는 바람이 O3 전 구물질을 수송하여 고농도 O3 오염에 영향을 미쳤다 고 보고되었다.

    구름과 강우는 태풍시기의 주요 기상조건으로 주 로 여름철 O3 농도 변화(감소)를 결정하는 중요한 변 수이다(Ghim et al., 1999). 구름은 햇빛을 차단하여 자외선 양(일사량)을 줄임으로써 기온 감소는 물론 대 기의 연직혼합을 제한하여 결국 대기경계층 고도를 낮아지게 하고, 대기 중 O3 생성에 중요한 라디칼 (radical)의 생성을 억제한다(Spirig et al., 2002). 또한 구름 속 액상 반응은 O3 생성에 필요한 라디칼을 소모 하여 광화학 반응에 불리한 조건을 제공하는 것으로 알려져 있다(Niatthijsen et al., 1997; Walcek et al., 1997). 그러나 낮게 위치한 구름은 지표로부터 복사에 너지 방출을 차단하여 기온을 상승시킬 수 있다(Ghim et al., 1999). 그리고 수 km 씩 수직 발달하는 적운은 지표층과 대류권 상층의 수직 혼합을 촉진시켜 지표 층의 오염물질을 상층으로 이동시킬 수 있으며, 동시 에 대류권 상층의 오염물질(예, O3과 전구물질)을 지 표 부근으로 이동시켜 지표 O3 농도를 높일 수도 있다 (Nicholls et al., 1995; Liu et al., 1997). 한편, 강우는 주로 세정효과에 의해 대기 중 오염물질을 제거, 예를 들어 O3 전구물질을 제거함으로써 O3 농도의 감소에 기여한다(Kim and Park, 1998; Ahn et al., 2014). 그 러나 O3은 물에 잘 녹지 않는 성질을 가지고 있어 강 수에 의한 뚜렷한 세정효과를 볼 수 없었다는 연구결 과가 보고된 바 있다(Hong, 2013).

    일반적으로 태풍은 강수에 의한 세정효과와 강한 종관장이 나타나는 특징으로 인해 O3을 비롯한 대기 오염물질과 관련한 많은 연구사례에서 제외되어 왔 다. 대부분의 관련 연구도 태풍영향 전 시기에 태풍의 간접영향으로 인해 O3 농도가 증가한 사례연구 중심 이었으며, 태풍이 오기 전부터 지나간 후까지 연속적 인 기상조건(종관특성 및 기상요소 변화)과 대기오염 물질(예, O3 및 전구물질) 농도 변화와 관련된 연구는 거의 수행되지 않았다. 따라서 이를 살펴보는 것은 또 다른 의미에서 서로간의 관계를 명확하게 규명하는데 필요하다고 사료된다. 이에 기초 연구로서 고농도 O3 시기를 포함하는 한반도 태풍사례를 선정하여 종관기 상학적 특성을 분석하고, 태풍영향 전·중·후 시기의 기 상요소 변화가 O3 및 전구물질 농도에 미치는 영향을 살펴보았다. 또한 각 시기별로 기상요소와 오염물질 (예, O3과 NO2) 사이의 상호 관련성을 분석하였다.

    2.재료 및 연구방법

    2.1.사례일 선정 및 연구방법

    본 연구에서는 태풍시기의 기상조건이 O3 농도에 미치는 영향을 분석하기 위해 다음의 4가지 조건: (1) 최근 4년간(2011~2014년) 한반도에 직접적 영향 또 는 상륙, (2) 태풍영향 이전 시기에 일 최고 O3 농도(5 분 측정자료 이용)가 예보등급 ‘나쁨(90 ppb 이상)’ 수 준에 해당, (3) 태풍영향 기간이 장마기간과 겹치지 않 음, (4) 태풍영향 이전 시기와 영향 시기에 강수가 없 음을 적용하여 연구사례일을 선정하였다. 조건(1)과 (2)를 통해 우리나라에 발생한 고농도 O3 현상 중 태 풍이 직·간접적으로 영향을 주었던 시기를 선별하고, 강수에 의한 세정효과로 농도가 감소하는 것을 배제 하기 위하여 조건(3)과 (4)를 적용하였다. 태풍영향 기 간은 기상청이 태풍 특보 및 경보를 발표한 시기부터 해제한 시기까지로 정의하였다. 일 최고 O3 농도는 한 국환경공단이 운영하는 전국 실시간 대기오염도 공개 홈페이지인 ‘에어코리아(www.airkorea.or.kr)’에서 제 공하는 시도별 확정자료를 이용하였고, 강수유무는 기상청 자동종관관측시스템(ASOS: Automated Synoptic Observing System)에서 관측된 일 누적 강수량을 이용 하여 판단하였다. ASOS는 AWS (Automatic Weather System)와 달리 기상청이나 유인 기상대에 설치되어 여러 기상요소(기온, 강수 등 14개 자료)를 관측하므 로 주로 대상지역 대표 자료로 활용된다.

    최근 4년 간(2011~2014년) 6~9월에 한반도에 영 향을 주었거나 또는 상륙한 13개의 태풍에 대하여 서 울, 6개 광역시(부산, 대구, 인천, 광주, 대전, 울산), 제 주지역의 일 누적 강수량과 일 최고 O3 농도 값을 비 교한 결과, 2011년 12호 태풍 “탈라스(1112)”가 위의 4가지 조건을 만족하였으며, 8개 지역 중 대전, 대구, 부산지역이 조건을 만족하였다(Table 1). 대구지역은 2011년 9월 5일 22시와 23시에 강수가 있었지만, 강 수량이 적고 지속시간이 짧았으며, 또한 야간의 강수 는 당일 주간의 O3 광화학 반응과 무관하다고 판단하 여 연구사례기간에 포함시켰다. 태풍 “탈라스”는 최 대강도가 중심기압 965 hPa, 중심부근 최대풍속 38 m/s인 중형크기 태풍으로, 2011년 8월 25일 00 UTC(09시)에 미국 괌 부근 해상(17.8°N, 141.4°E)에 서 발생하여 북태평양 고기압 남서쪽 연변을 따라 북 서진하였다. 9월 3일 새벽 일본 시코쿠 남쪽 해안 (33.0°N, 133.8°E)을 지나 9월 3일 07시부터 한반도 에 영향을 미치기 시작하여 독도 부근 해상에서 온대 저기압으로 변질될 때 까지(9월 5일 03시) 그 영향이 지속되었다(KMA, 2011). 따라서 본 연구에서는 ‘태 풍영향 전 시기’를 8월 30일~9월 2일, ‘태풍영향 시 기’를 9월 3일~4일, ‘태풍영향 후 시기’를 9월 5일 7 일로 설정하였다.

    태풍 “탈라스” 영향 전·중·후 시기의 고농도 O3 사 례동안 종관기상 특성을 살펴보기 위하여 기상청에서 제공하는 지상일기도를 이용하였다. 또한 O3 농도의 공간분포는 화학과정 뿐만 아니라 바람에 의한 수송/ 확산과정도 매우 중요하므로(Kim et al., 1999), 기상 모델을 통한 상세 바람장 수치모의 결과를 분석에 이 용하였다(관측 자료의 한계로 인해). 이용된 기상모델 에 관한 자세한 설명은 2.2절에 나타낸다. 아울러 기 상모델 결과의 신뢰성을 평가하기 위하여 대상지역 (대전, 대구, 부산)의 ASOS 기상관측지점에서 관측 된 시간별 기온 및 풍속과 모델에서 계산된 값(기온: 최하층 Sigma level=0.999, 풍속: 10 m 풍속)을 비교 분석하였다. 이용된 통계변수는 IOA (Index of Agreement)와 RMSE (Root Mean Square Error)이다.

    연구사례일 동안 기상요소와 O3 농도와의 관계 및 영향을 분석하기 위하여 대상지역(대전, 대구, 부산) 의 기상자료와 대기오염자료를 이용하였다. 대전, 대 구, 부산지역의 기상자료는 기상청 ASOS 자료(기온, 풍향, 풍속, 강수, 상대습도, 기압 등)와 지상 정시자료 (전운량과 일사량)를 사용하였으며, 대기오염자료는 ‘에어코리아’의 O3과 NO2에 대한 최종확정자료를 사 용하였다. 기온, 습도, 기압, 전운량은 정시에 측정된 값이고, 풍향과 풍속은 정시 10분 평균값이며, 강수와 일사량은 1시간 누적값이다. 그리고 O3과 NO2는 1시 간 평균 농도 자료이다. 이외에도, 여러 기상요소(기 온, 일사량, 운량 등)의 변화경향, 일 최고값, 일 최저 값 등을 이용하여 기상조건과 O3 농도 변화를 분석하 였다. 운량에 있어서는 Ghim et al.(1999)에서 운량을 분석했던 방법을 따라 일사량 값이 있는 일출 이후의 시간부터 최고농도 시기까지의 평균 운량을 분석하였 다. 기상자료가 관측되는 ASOS 지점은 도시 내에 한 군데인 반면 O3과 NO2가 측정되는 도시대기측정소는 도시 내에서도 여러 군데이다. 따라서 O3과 NO2자료 의 지점 대푯값은 ASOS 지점과 가장 가까운 위치의 측정소(대전 유성구 구성동, 대구 동구 신암동, 부산 중구 광복동) 자료를 사용하였다(Fig. 1).

    2.2.모델 구성 및 입력자료

    본 연구에서 태풍에 의한 바람의 시·공간적 변화를 상세히 분석하기 위해 이용된 중규모 기상모델은 WRF (Weather Research and Forecasting) version 3.7.1이다. WRF 모델은 압축성 비정수계(Fully compressible, Euler nonhydrostatic) 모델로, 수평 격자는 Arakawa C 격자체계를 사용하고 연직좌표계 는 지형을 따르는 dry hydrostatic-pressure 연직 격자 를 사용한다. 그리고 대기복사, 난류 혼합, 구름 물리, 지표-대기 상호작용, 중력파 항력 등 대기 물리과정들 에 대한 다양한 모수화 방안을 포함하고 있다 (Skamarock et al., 2008). WRF 모델의 도메인은 4개 의 둥지격자로 구성하고, 부산, 대구, 대전을 포함하는 영역을 가장 작은 도메인으로 설정하였다. 각각의 수 평해상도(격자개수)는 Domain 1 (D1)의 경우에 27 km (145×121), D2는 9 km (232×181), D3은 3 km (247×235), D4는 1 km (469×349)이다(Fig. 1). 또한 둥지격자방법에 있어 이론적으로는 양방향 둥지격자 (two-way nesting) 방법이 더 유용하다고 말할 수 있 으나, 고해상도 자료가 상위 도메인으로 되돌아오는 과정의 복잡성 때문에 중규모 모델링에서는 기법이 단순한 단방향 둥지격자(one-way nesting) 방법이 많 이 이용되기도 한다(Hawbecker, 2013). 따라서 본 연 구에서는 상세 바람장 수치모의를 위하여 단방향 둥 지격자 방법을 선택하였다. 모델의 적분시간 간격은 D1은 81초, D2는 27초, D3은 9초, D4는 3초이며, 연 직층은 지형을 따르는 시그마 면상에서 28층 그리고 연직 최상단 기압은 50 hPa이다.

    WRF 모델 수행을 위한 초기 및 경계 자료는 1.0°×1.0°의 수평해상도를 갖는 NCEP (National Centers for Environmental Prediction)/NCAR (National Centers for Atmospheric Research)의 6시 간 간격 재분석 자료(Final (FNL) operational global analysis data)를 사용하였다. 지형자료와 토지피복자 료는 USGS (United States Geological Survey)의 지 형자료와 24 category 토지피복자료를 이용하였으 며, 각 영역에 따라 D1은 5 m, D2는 2 m, D3은 30 s, D4는 3 s 자료를 사용하였다. WRF 모델의 주요 물리 과정에서 구름 미세 물리 모수화는 WSM (WRF Single-Momentum) 6-class 기법(Hong and Lim, 2006)을 사용하였고, 장파 복사과정과 단파 복사과정 은 RRTM (Rapid Radiative Transfer Model) 기법 (Mlawer et al., 1997)과 Dudhia 기법(Dudhia, 1989) 을 각각 사용하였다. 지표모델은 Noah land surface model을 사용하였으며, 행성경계층(Planetary boundary layer)은 YSU (Yonsei University) 기법(Hong et al., 2006), 적운 모수화 과정은 Kain-Fritsch 기법(D1과 D2에 대해)을 적용하였다(Kain, 2004). 모델 수행기 간은 48시간의 spin-up 기간을 포함하여 2011년 8월 26일 00 UTC부터 2011년 9월 8일 00 UTC로 설정하 였다.

    3.결과 및 고찰

    3.1.태풍영향 전·중·후 시기의 종관기상 및 바람장 특성

    Fig. 2는 태풍영향 전 시기이며 또한 고농도 O3이 나타난 시기인 2011년 9월 1일(Fig. 2(a)~2(c)), 태풍 영향이 시작되는 2011년 9월 3일(Fig. 2(d)~2(f)), 태 풍영향 후 시기인 2011년 9월 6일(Fig. 2(g)~2(i))에 대해 각각 09시의 지상일기도와 12시 및 18시의 남한 영역 바람장 수치모의(WRF 모델) 결과를 나타낸다.

    태풍영향 전 9월 1일 09시에 한반도 주변으로는 북 쪽과 서쪽의 이동성 고기압과, 북태평양 고기압의 남 서쪽 연변을 따라 남동쪽에서 북상하는 태풍이 거리 를 두고 대치하고 있다(Fig. 2(a)). 한반도 북동쪽에 있 는 저기압의 존재와 함께 고기압이 동서로 마주보고 저기압이 남북으로 마주보는 이러한 종관패턴은 Lam(2014)의 연구에서 분석한 고농도 O3과 유관한 종관패턴 중 하나에 속한다(그림 제외). 즉 이와 같은 종관상황 하에 있는 한반도는 이동성 고기압의 영향 과 함께 등고선 간격이 넓고 풍속이 약한 고압대가 형 성되어 기온이 높고 구름이 거의 없는 맑은 날씨를 보 인다. 또한 이러한 이동성 고기압의 영향 하에 있는 날 은 대기가 안정하여 오후의 광화학적 O3 생성에 유리 하기 때문에 고농도 O3에 기여할 수 있다(Liu et al., 1994; Lee et al., 2001; Kim et al., 2002). 이때 고기압 영향에 의해 나타나는 특징들은 Lam(2014)에 의하면 태풍 순환의 바깥쪽 침강구역과도 관련이 있는 것으 로 사료된다. 그리고 태풍영향 전 시기의 오전에 동해 와 서해에서 나타나던 북풍은 태풍의 북상으로 인하 여 한반도가 간접적인 영향을 받음으로써 점차 북서 풍으로 바뀌는 것으로 나타난다. 이로 인해 12시 대전 근처에 나타나는 서해상의 북서풍 흐름과 내륙 바람 (북동풍)이 만나는 수렴지역에서는 대기가 서서히 정 체하게 되어 O3의 광화학적 생성에 호조건을 형성하 고, 생성된 O3이 외부로 빠져나가지 못하게 됨으로써 고농도 O3에 기여했을 가능성이 있다(Fig. 2(b)). 게다 가 18시에 부산 인근에 나타나는 해상과 내륙의 바람 수렴 또한 O3 축적에 기여했을 가능성이 있다(Fig. 2(c)).

    태풍의 영향을 받기 시작한 9월 3일에는 이동성 고 기압이 한반도의 북쪽에 위치하고, 태풍이 일본 시코 쿠의 남쪽해상(33.0°N, 133.8°E)에 상륙하여 성질이 다른 두 기단이 가까이 대치하고 있다. 그 경계면에 위치한 한반도는 태풍의 영향으로 기압이 낮고, 등고 선 간격이 좁아 풍속이 강하며, 구름이 많은 날씨를 보 이고 있다. 또한 태풍의 저기압성 순환에 의하여 북풍 과 동풍계열의 습윤한 바람이 불고 있으며, 태풍에 동 반된 비구름으로 인해 동해안에서는 강수가 나타나고 있다(Fig. 2(d)). 태풍영향 시기에는 태풍의 영향으로 한반도에 동풍이 지배적이다(Fig. 2(e)2(f)). 이러한 종관특성(태풍의 위치, 강한 풍속, 강수 등)은 태풍 영 향 시기의 O3 농도를 일부 감소시키는 원인으로 추정 된다. 태풍 영향 후 시기인 9월 6일에는 강도가 약화 된(992 hPa) 태풍 “탈라스”가 동해상으로 진출하여 온대저기압으로 변질되었으며, 한반도는 북서쪽에 위 치한 이동성 고기압의 영향으로 다시 기온이 높고 구 름이 없는 맑은 날씨를 보이고 있다(Fig. 2(g)). 이와 더불어 낮 동안 동해상에 나타나는 고기압 순환과 대 전, 대구, 부산 지역을 포함하는 내륙지역의 안정한 대 기 상황은 광화학적 O3 생성에 호조건으로 예상된다 (Fig. 2(h)(i)).

    기상장 수치모의(WRF) 결과의 신뢰성 평가를 위 해 태풍영향 전·중·후 시기동안 대상지역(대전 구성동, 대구 신암동, 부산 광복동)의 기온과 풍속에 대한 관 측값과 모델값의 통계 검증(IOA, RMSE)을 실시하였 다(Table 2). 기온의 경우는 세 지역에서 대부분 0.7~0.9 정도의 높은 IOA를 나타내고 있으나(태풍영향시 대구 제외), RMSE는 약 1~4℃ 정도를 나타내고 있 다. 태풍영향시 대구에서 비교적 낮은 IOA(0.57)가 나 타난 것은 대전과 부산에 비해 일 최저기온과 최고기 온의 과소모의가 컸기 때문인 것으로 사료된다. 예를 들어, 대구는 일 최저기온과 최고기온의 과소모의가 각각 4~8℃ 와 2~3℃ 인 반면, 다른 두 지역은 1~6℃ 와 1~2℃ 로 나타났다(그림 제외). 즉, 이 시기에 대구 의 일 최저기온의 과소모의는 모델이 실제보다 태풍 위치를 더 동쪽(대구에서 더 멀리)으로 모의한 것이 반영된 결과로서, 관측에 비해 태풍 순환으로 유입되 는 따뜻하고 습윤한 바람의 영향이 미미하여 과소모 의가 된 것으로 추정된다. 풍속의 경우, 대전과 대구는 0.6~0.7 정도의 IOA를 나타내며, 약 1 m/s 전후의 대 체로 낮은 RMSE를 나타낸다. 그러나 부산은 다른 지 역과 비교하여 풍속에서 다소 낮은 IOA(약 0.5~0.6) 와 높은 RMSE(약 1.5 m/s 이상)를 보였다. 이와 같이 부산지역 풍속의 다소 낮은 일치도와 상대적으로 큰 오차는 바다와 인접해 있는 부산지역의 지리적 특징 으로 인해 모델이 모의한 태풍의 영향을 다른 두 지역 (대전, 대구)보다 더 많이 받았기 때문인 것으로 추정 된다. 이외에도, 본 연구의 WRF 모델이 모의한 태풍 진로의 평균오차는 315.6 km, 강도의 평균 절대값 오 차는 5.3 m/s로 나타났다(그림 제외). 또한 WRF의 48 시간 오차(204.2 km)는 태풍 “탈라스”를 모의한 다른 기상청 수치모델들(8개 모델: JGSM, NOGAPS, GFS, ECMWF, TEPS, GDAPS, TWRF, KWRF)의 48시간 평균오차(200.5 km)와 유사한 수준이었으며, 본 연구 의 WRF 모델 오차는 가장 작은 오차를 갖는 모델과 약 40 km 정도 차이가 났다(KMA, 2011). 따라서 대 부분 지역에서의 통계 검증은 모델결과의 신뢰성을 뒷받침해주고 있으며, 또한 WRF 모델의 수치모의는 본 연구사례의 상세 기상(바람, 기온 등)을 해석하는 데 적절하다고 사료된다.

    3.2.대상지역 기상요소와 O3 농도 변화 분석

    본 연구에서는 대상지역의 O3 농도 변화와 관련한 기상특성을 살펴보기 위해, 태풍영향 전·중·후 시기를 포함한 2011년 8월 28일~9월 7일 동안 O3 및 NO2 농 도와 기상요소의 시간 변화를 분석하였다(Fig. 3~5). 태풍영향 이전 O3의 고농도 현상은 8월 30일부터 나 타나기 시작했지만, 태풍영향 및 고농도 O3 기간 이외 의 보통시기(normal period)와 비교하기 위하여 8월 28일 자료부터 분석에 이용하였다.Fig. 4

    Fig. 3(a)~5(a)를 보면, 일반적으로 세 지역 모두 O3 농도는 오전에 일사와 함께 증가하기 시작하여 낮 에 최고치를 기록하고, 오후가 지나면서 감소하여 밤 에 최저치를 기록하는 일변화 패턴이 나타났다. 이와 관련하여 태풍영향 전·후시기에 NO2의 오전 최고농 도가 나타나는 시간은 O3의 최고농도가 나타나는 시 간보다 조금 앞서 있고, O3이 최고농도를 기록하는 시 기에 NO2는 최저농도를 나타내고 있다. 또한 오후에 O3 농도가 감소추세로 접어들면 NO2 농도는 다시 증 가하고, 특히 야간에는(연구사례일의 일부) O3이 NO 와 반응하여 NO2 농도가 증가한 것으로 사료된다 (Seinfeld and Pandis, 2006). 반면, 대구와 부산의 태 풍영향 전·후 시기 대부분은 야간에 O3 농도가 상승할 때 NO2 농도가 감소하는 특징을 볼 수 있었다. 이것은 O3 농도가 광화학 반응에 의해 어느 정도 좌우되어 형 성된 것으로 추정할 수 있지만, 화학작용 이외에도 기 상효과에 의한 영향도 크므로 보다 자세한 분석이 필 요하다(Shon et al., 2010).

    태풍영향 전 시기에 시간별 O3 농도의 일 최고값 (63~91 ppb)은 태풍영향 시기에 절반 수준 이하(35~48 ppb)로 떨어졌다가 태풍영향 시기가 지나자 다 시 증가하였다(43~84 ppb) (Fig. 3(a)~5(a)). 태풍영 향 전 시기에는 고농도 O3과 관련된 종관패턴(Lam, 2014) 즉, 이동성 고기압과 태풍이 대치를 이루는 패 턴이 나타났다(Fig. 2(a)). 이 시기에는 한반도 남쪽 멀 리 태풍이 위치하고 한반도 쪽에는 고기압에 의한 넓 은 침강구역에 존재하는 종관패턴으로, 최고기온은 태풍영향 시기와 태풍영향 후 시기에 비해 높았으며 (대전 30℃ 이상, 대구 32℃ 이상, 부산 29℃ 이상), 높 은 기온의 지속시간도 길게(3~8시간) 나타나 O3 광 화학 반응에 호조건이 형성된 것으로 볼 수 있다(Fig. 3(b)~5(b)). 또한 태풍영향 전 시기 오전에 세 지역 모 두 동풍과 북풍계열의 바람이 번갈아가며 나타나다 가, 고농도 O3 시기에는 대전지역에서 북풍, 대구는 북풍과 서풍, 부산은 북풍과 남풍으로 풍향이 바뀌었 다(Fig. 3(d)~5(d)). 이는 북상하는 태풍의 영향으로 해석되며 태풍의 저기압성 순환으로 인한 풍향변화가 바람의 수렴을 유도하여 O3 생성 및 축적에 호조건을 제공한 것으로 추정된다. 이러한 종관기상 및 기압배 치 특성은 3.1절에 잘 나타나 있다(Fig. 2(b)). 아울러 다른 선행연구(Wang et al., 2001)에서도 오후시간대 의 풍향 반전이 기류(바람)의 수렴을 야기하여, 그 수 렴지역에서 O3 농도가 상승했다는 연구결과가 발표된 바 있다.

    일반적으로, 오전에 바람을 따라 유입된 전구물질 은 일사량 증가와 함께 광화학 반응을 통하여 O3을 생 성할 수 있으므로, 아침 풍속은 광화학적 오염의 원인 진단에 사용된다(Liu et al., 1994; MacDonald et al., 2001). 태풍영향 이전 8월 31일의 대구지역은 오전 9 시경 풍속이 약 2~3 m/s 정도로 나타나, 외부로부터 의 오염물질 수송에 의해 O3 농도가 일부 상승했을 가 능성이 있다(Ghim and Oh, 1999). 이를 검토하기 위 해 WRF 모델을 이용하여 대구 및 주변지역의 상세 바람장을 분석한 결과, 대부분 풍속이 약한 국지풍으 로 동풍과 북서풍이 주로 나타났다(Fig. 6). 대구지역 의 북서쪽으로는 산업단지가 있는 구미시가 있고 동 쪽으로는 산업단지 및 농업지역을 포함하는 경산시가 위치해 있지만, 대체로 풍속이 약한(2.0 m/s 미만) 분 지지형의 특징을 고려한다면 이 지역의 O3 농도는 장 거리 수송에 의한 영향보다는 국지배출의 영향이 더 큰 것으로 추정된다.

    태풍영향 시기의 O3 농도 감소는 많은 구름(평균 운량 3~9, Fig. 3(c)~5(c))이 주간의 일사를 감소시켜 일부 광화학 반응에 의한 O3 생성을 억제하고 (Niatthijsen et al., 1997; Walcek et al., 1997), 또한 태풍 접근에 따른 저기압 하의 강한 상승기류가 연직 확산을 용이하게 하여 농도 감소에 기여한 것으로 사 료된다. 그러나 태풍영향 전·후 시기에 태풍영향 시기 와 유사하게 다소 많은 구름이 존재함에도 불구하고 O3 농도 수준이 서로 다르게 나타나는 점을 볼 때, 운 량 이외에도 다른 여러 기상 및 환경조건(대기정체, 높은 기온 등)에 의해서 O3 농도가 증가할 수 있다고 사료된다(Ghim et al., 1999). 한편, 태풍영향 시기에 시간별 O3 농도의 일 최저값은 야간에 8~27 ppb으로 태풍영향 전 시기(1~6 ppb)에 비해 약 4배, 태풍영향 후 시기(1~13 ppb)에 비해 약 2배가량 높게 나타났 다. 이것은 이 시기의 야간에 강한 풍속으로 인한 수송 효과가 O3 농도 증가에 일부 기여한 것으로 해석할 수 있다(Wishinski and Poirot, 1998). 대상지역의 야간 에 북풍과 북서풍(대전), 북서풍과 서풍(대구), 북풍 (부산) 계열의 강한 바람(약 2~6 m/s)이 각각 관측되 었으며, 대전 관측지점의 풍상측 인근에는 주로 주거 지역, 대구 관측지점의 풍상측에는 공장, 산업단지, 고 속도로, 그리고 부산 관측지점의 풍상측에는 도심 및 주거지역이 위치하고 있다(그림 제외). 이와 같이 외 부로부터의 일부 수송효과로 인해 이 시기의 최고농 도와 최저농도 차이는 태풍영향 전·후 시기와 비교하 여 작게 나타났다. 이외에도, 사전 태풍예보에 따른 교 통량 및 산업 활동 감소, 그리고 저기압 하의 활발한 연직 혼합으로 인해 태풍영향 시기의 NO 농도(예, 부 산지역 야간 평균 3 ppb)는 태풍영향 전·후 시기에 비 해(평균 4~13 ppb) 상대적으로 낮게 나타나(그림 제 외), 야간에 NO에 의한 O3의 적정(titration, O3+NO 반응)이 제한될 수 있다(Seinfeld and Pandis, 2006). 따라서 이 시기의 야간에 O3의 광화학적 소멸이 줄어 들어 태풍영향 전·후 시기에 비해 상대적으로 높은 O3 농도가 나타난 것으로 사료된다.

    태풍영향 시기에 시간별 O3 농도의 일 최고값(35~48 ppb)은 광화학 반응에 매우 불리한 기상조건임에 도 불구하고 태풍영향과 관련 없는 8월 28~29일의 최고농도(30~53 ppb)와 거의 유사하게 나타났다(8 월 29일 대구(65 ppb) 제외). 참고로 8월 28~29일의 농도는 그 해 8월의 최고농도 평균값(36~45 ppb)과 비슷한 농도 수준이었다(그림 제외). 또한 태풍영향 시기는 8월 28~29일 시기에 비해 기온 및 상대습도 가 낮은 편이었다(특히 대전과 대구) (Fig. 3~5). 즉 태풍영향 시기에 상대적으로 기온이 다소 낮아 포화 수증기량이 작음에도 불구하고 상대습도가 낮다는 것 은 대기 중 수증기량도 상대적으로 작다는 것을 의미 한다. 일반적으로 대기 중 수증기(H2O)는 들뜬 상태 의 산소원자(O(1D))와 반응하여 O3의 소멸에 기여하 게 되는데(Seinfeld and Pandis, 2006; Song et al., 2010, 2012), 태풍영향 시기는 태풍영향과 관련 없는 8월 28~29일에 비해 상대적으로 수증기와의 반응으 로 인한 O3 소멸이 비교적 느리게 진행된 것으로 추정 된다. 그러나 이와 같은 단순 분석만으로 O3의 생성 또는 소멸을 명확하게 해석하기에는 많은 한계가 있 으므로, 추후 3차원 광화학수송모델을 이용한 상세 수 치모의 연구가 필요하다고 사료된다.

    태풍영향 후 시기의 종관특성을 보면(Fig. 2(g)), 이 동성 고기압의 영향으로 비교적 맑은 날씨를 형성하 여 기온이 높고 구름이 적어 광화학적 O3 생성에 좋은 기상조건을 보였다. 이로 인해 기온이 높고 풍속이 약 한 대구지역은 태풍영향 후 시기에 다시 고농도 O3이 나타난 반면(Fig. 4), 상대적으로 기온이 낮고 풍속이 강한 대전과 부산지역은 대구에 비해 낮은 O3 농도가 관측되었다(Fig. 35).

    태풍영향 전·후 시기에 대구와 부산지역의 O3 농도 는 오후에 정점(peak)을 보인 후 점차 감소하다가 자 정을 전후로 다시 증가 후 감소하는 패턴이었다(Fig. 4(a)5(a)). 새벽에 2차적으로 증가한 O3 농도는 야 간 잔류층 고도(1~2 km)에 축적되어 있는 O3이 새벽 시간대의 다소 강한 풍속(Fig. 4(d)5(d))으로 인한 잔류층 파괴로 지표 부근까지 내려왔음을 간접적으로 시사한다(Gerasopoulos et al., 2006). 또한 위에서 언 급하였듯이, 야간의 낮은 NOx(특히 NO) 농도에 의한 O3의 소멸이 매우 제한적이었기 때문으로 추정된다. 게다가, 태풍영향 기간을 제외한 대부분 연구기간의 야간에 반복적으로 O3 농도가 증가하는 것은 대상지 역이 갖는 고유한 특징(예, 기상조건, 지리·지형적 특 징)에 기인한 것으로 추정된다. 보다 상세한 분석을 위하여, 태풍영향 전·후 시기에 대구와 부산지역의 야 간에 O3 농도 증가가 비교적 뚜렷했던 날을 각각 하루 씩 선정하여 O3 농도 및 수평 바람장을 분석하였다 (Fig. 7). 대구에서 야간에 O3 농도가 높게 나타나는 지점은 높은 지형에서 바람이 불어 나오거나 바람이 수렴하는 곳임을 확인하였다(Fig. 7(a)7(b)). 부산 은 남북으로 길게 형성된 높은 지형과 함께 야간에 육 풍이 뚜렷한 특징을 보였으며, 높은 지형에서 바람이 불어 나오는 방향에 있거나 또는 두 지형 사이에 있는 지점에서 O3 축적 및 농도 증가가 나타났다(Fig. 7(c)7(d)). 이와 같이 대구와 부산지역에 나타난 야간의 O3 상승은 야간에 산풍이 발달하여 계곡 위쪽에 잔류 하고 있던 기류(O3 등 오염물질 포함)가 계곡 아래쪽 으로 이동하거나 바람의 수렴으로 인해 O3이 축적되 었기 때문으로 볼 수 있다(Song et al., 2009). 한편, 태 풍영향 시기에는 강한 종관장이 국지순환계의 발달을 저지하여 야간의 O3 상승이 뚜렷하지 않았다(Fig. 2(e)2(f)).

    3.3.기상요소와 O3 농도와의 관계

    Fig. 8은 연구사례일(태풍영향 전·중·후 시기)의 O3 농도와 NO2 농도 및 기상요소와의 상관도를 나타낸 다. 대기오염물질 O3과 NO2 자료는 2.1절에서 설명한 바와 같이 대상지역(대전, 대구, 부산) 대표 기상요소 관측지점(ASOS)에서 가장 가까운 대기질 측정지점 에서 측정한 매시간별 농도 자료를 이용하였다. 전반 적으로 연구사례일 동안 모든 지점에서 O3 농도와 NO2 농도는 반비례 관계를, O3 농도와 기온은 정비례 관계를, O3 농도와 상대습도는 반비례 관계를 보였다. 이것은 3.2절의 Fig. 3~5에 나타난 오염물질(O3, NO2) 농도와 기상요소 사이의 비교분석 결과와 유사 하였다.

    보다 면밀한 분석을 위해 세부적으로 보면, O3 농도 가 NO2 농도와 갖는 상관도는 태풍영향 시기에 가장 높게(R2=0.48) 나타났다. 이것은 앞서 언급한 것처럼 광화학반응에 불리한 조건을 가진 태풍영향 시기에 낮은 NOx 조건에 의한 O3 생성이 O3 농도 증가에 주 요한 영향을 미쳤기 때문인 것으로 추정된다. 그리고 O3 농도가 기온과 갖는 상관도는 고농도 O3이 나타났 던 태풍영향 전 시기에 가장 높게(R2=0.69) 나타났으 며, 태풍영향 시기에 가장 낮게(R2=0.37) 나타났다. 이는 잘 알려져 있듯이 기온이 광화학 O3 생성에 영향 을 미치는 중요한 기상요소 중 하나임을 입증한다. O3 농도와 일사량과의 관계는 O3과 기온과의 관계처럼 유사한 패턴이었지만, 서로간의 상관관계는 기온에 비해 매우 낮게 나타났다(R2<0.15, 그림 제외).

    O3 농도와 상대습도와의 상관도는 기온 및 일사량 과 달리 모든 지점에서 음의 상관을 보였다. 전체적으로 태풍영향 전·중·후 시기에 걸쳐 유사한 패턴으로 나타 났으나, 태풍영향 전·중·후 시기를 지나면서 조금씩 높 아져 태풍영향 후 시기에 가장 높은 음의 상관이 나타 났다. 일반적으로 상대습도는 특정한 온도의 대기 중 에 포함되어 있는 수증기 함량 또는 비율, 그리고 대기 중 공기의 포화 정도를 나타낸다. 상대습도와 O3 농도 와의 음의 상관은 상대습도가 증가(감소)하면 농도가 감소(증가)한다는 것을 의미한다. Fig. 3~5에서 알 수 있듯이, 태풍영향 시기에는 태풍영향과 관련 없는 시 기(8월 28~29일)에 비해 상대적으로 기온과 상대습 도가 낮게 나타났다. 이 시기의 기온이 낮음에도 불구 하고 상대습도가 낮다는 것은 대기 중 공기의 포화 도가 낮고(포화 수증기량이 작음) 또한 상대적으로 수 증기량도 작다는 것을 의미한다. 이로 인해 상대적으 로 수증기(H2O)와 들뜬 상태의 산소원자(O(1D))와의 반응이 느린 속도로 진행하게 되어 결국 O3 소멸량(그 리고 농도감소)이 작아진 것으로 추정된다(Seinfeld and Pandis, 2006; Song et al., 2010, 2012).

    4.결 론

    본 연구에서는 고농도 O3 시기를 포함하는 태풍 사 례(2011년 9월 태풍 “탈라스”)를 선정하여 강수를 제 외하고 태풍이 오기 전부터 지나간 후까지 연속적인 기상조건 변화가 O3 농도에 미치는 영향과 상관성을 분석하였다. 전반적으로 태풍영향 전 시기에 나타난 고농도 O3 현상은 이동성 고기압 영향으로 인한 안정 한 대기와 높은 기온(30℃ 이상), 태풍에 의한 풍향변 화로 야기된 수렴지역에서의 대기정체(O3 생성 및 축 적에 기여)가 주요 원인으로 사료된다. 게다가 태풍영 향 전 시기의 O3 농도는 기온과 높은 상관을 가지며, 높은 기온의 지속시간 또한 길게 나타났다.

    태풍영향 시기에 태풍영향 이전 시기의 절반수준 으로 떨어진 O3 농도는 많은 구름이 주간에 일사를 감 소시켜 일부 광화학 반응을 억제하고, 태풍 접근에 따 른 저기압 하의 강한 상승기류가 연직확산을 용이하 게 하여 농도 감소에 기여한 것으로 사료된다. 이 시기 는 광화학 반응이 불리한 조건임에도 불구하고 시간 별 O3 농도의 최고값은 태풍영향과 관련 없는 시기(8 월 28~29일)의 최고농도와 거의 유사하게 나타났다 (8월 29일 대구 제외). 이것은 태풍영향 시기에 상대 적으로 낮은 기온과 상대습도로 인하여 대기 중 수증 기와의 반응으로 인한 O3 소멸반응이 비교적 느리게 진행되었기 때문으로 추정된다. 그러나 이러한 단순 분석만으로 O3의 생성 또는 소멸을 명확하게 해석하 기에는 많은 어려움이 있다. 또한 이 시기의 O3 최저 농도(야간)는 태풍영향 전·후 시기에 비해 상대적으로 높게 나타났는데, 이는 야간에 강한 풍속으로 인한 수 송효과와 낮은 NOx 배출에 따라 야간에 NO에 의한 O3의 적정(titration)이 제한되었기 때문으로 추정된 다. 한편, 태풍영향 전·후 시기에 대상지역(특히, 대구 와 부산)의 야간 O3 상승은 강한 풍속에 의한 수송효 과가 일부 원인이 되며, 이와 함께 지형의 영향으로 야 간에 국지풍계인 산풍이 발달하여 계곡 위쪽에 잔류 하고 있던 O3을 포함한 기류가 계곡 아래로 이동하거 나 바람의 수렴지역에서 나타나는 대기정체의 결과로 볼 수 있다.

    일반적으로 태풍영향 시기에는 많은 구름에 의한 광화학 반응의 억제와 강수에 의한 대기오염물질의 세정작용이 뚜렷하게 나타난다. 하지만 본 연구의 결 과와 더불어 여러 선행연구들에서 언급된 구름 및 강 수, 종관상황 등의 조건적인 역할을 고려해 봤을 때, 태풍에 의한 기상 변화가 O3 농도에 미치는 영향에 대 한 기존인식에 있어 일부 전환이 필요하다고 사료된 다. 향후 태풍과 관련된 다양한 사례에 대한 관측자료 (기상자료, 오염물질 농도 및 배출량 등) 분석과 기상 (수송) 및 화학작용이 고려된 대기질 수치모의 연구가 병행된다면, 태풍사례시 기상요소와 대기질 변화와의 관계를 보다 명확하게 이해하는데 일조할 것으로 기 대된다.

    감사의 글

    이 논문은 2017학년도 제주대학교 교원성과지원사 업에 의하여 연구되었음.

    Figure

    JESI-26-621_F1.gif

    The nested model domains for the WRF simulation and the location of three target regions (Daejeon, Daegu, and Busan). The closed circles within the bottom figure indicate the representative sites (Guseong-dong, Sinam-dong, and Gwangbok-dong) in Daejeon, Daegu, and Busan, respectively.

    JESI-26-621_F2.gif

    Synoptic surface weather maps at 09 LST and the simulated wind vectors (at 10 m above ground) at 12 and 18 LST before (1 September), during (3 September), and after the typhoon period (6 September). "A", "B", and "C" in the figure indicate the representative sites (Guseong-dong, Sinam-dong, and Gwangbok-dong) in Daejeon, Daegu, and Busan, respectively.

    JESI-26-621_F3.gif

    Time series plots of (a) hourly O3 and NO2 concentrations, (b) temperature and solar radiation, (c) cloud cover and precipitation, (d) wind speed and direction, and (e) pressure and relative humidity at the representative site in Daejeon before, during, and after typhoon Talas (1112). The vertical dash lines in the figure represent the division before, during, and after the typhoon period.

    JESI-26-621_F4.gif

    Same as Fig. 3 except for Daegu during the entire study period.

    JESI-26-621_F5.gif

    Same as Fig. 3 except for Busan during the entire study period.

    JESI-26-621_F6.gif

    Simulated wind vectors at 10 m above ground on 31 August 2011. The closed circle indicates the representative site in Daegu.

    JESI-26-621_F7.gif

    The spatial distribution of horizontal wind vectors at (a) 03 LST 30 August and (b) 00 LST 7 September in Daegu and at (c) 00 LST 30 August and (d) 03 LST 6 September in Busan. The numbers in the figure represent O3 concentrations (ppb) at several monitoring sites. The open circles indicate the representative sites (Sinam-dong and Gwangbok-dong) in Daegu and Busan regions.

    JESI-26-621_F8.gif

    Correlation between O3 and NO2 and between O3 and meteorological variables such as temperature, and relative humidity before, during, and after typhoon Talas (1112).

    Table

    Daily accumulated rainfall and daily maximum O3 concentrations before, during, and after typhoon Talas (1112)

    *Three sites indicate the representative sites in Daejeon, Daegu, and Busan areas, respectively
    **Daily maximum O3 concentration was derived from the values observed at every 5 min intervals

    Statistical evaluation of air temperature and wind speed between observations and model-predicted values: results compared at each representative site in Daejeon, Daegu, and Busan areas before, during, and after typhoon Talas (1112) during the entire simulation period (09 LST on 28 August through 00 LST on 8 September 2011)

    aIOA: Index of Agreement
    bRMSE: Root Mean Square Error

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