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ISSN : 1225-4517(Print)
ISSN : 2287-3503(Online)
Journal of Environmental Science International Vol.28 No.3 pp.341-356
DOI : https://doi.org/10.5322/JESI.2019.28.3.341

Impacts of Local Meteorology caused by Tidal Change in the West Sea on Ozone Distributions in the Seoul Metropolitan Area

Sung Min Kim, Yoo-Keun Kim1), Hye Yeon An, Yoon-Hee Kang2), Ju-Hee Jeong2)*
Division of Earth Environmental System, Pusan National University, Busan 46241, Korea
1)Department of Atmospheric Sciences, Pusan National University, Busan 46241, Korea
2)The Institute of Environmental Studies, Pusan National University, Busan, 46241, Korea
Corresponding author: Ju-Hee Jeong, The Institute of Environmental Studies, Pusan National University, Busan 46241, Korea Tel: +82-51-583-2652 E-mail: jeongjuhee@pusan.ac.kr
06/12/2018 26/12/2018 03/01/2019

Abstract


In this study, the impacts of local meteorology caused by tidal changes in the West Sea on ozone distributions in the Seoul Metropolitan Area (SMA) were analyzed using a meteorological model (WRF) and an air quality (CMAQ) model. This study was carried out during the day (1200–1800 LST) between August 3 and 9, 2016. The total area of tidal flats along with the tidal changes was calculated to be approximately 912 km2, based on data provided by the Environmental Geographic Information Service (EGIS) and the Ministry of Oceans and Fisheries (MOF). Modeling was carried out based on three experiments, and the land cover of the tidal flats for each experiment was designed using the coastal wetlands, water bodies (i.e., high tide), and the barren or sparsely vegetated areas (i.e., low tide). The land cover parameters of the coastal wetlands used in this study were improved in the herbaceous wetland of the WRF using updated albedo, roughness length, and soil heat capacity. The results showed that the land cover variation during high tide caused a decrease in temperature (maximum 4.5°C) and planetary boundary layer (PBL) height (maximum 1200 m), and an increase in humidity (maximum 25%) and wind speed (maximum 1.5 ms-1). These meteorological changes increased the ozone concentration (about 5.0 ppb) in the coastal areas including the tidal flats. The increase in the ozone concentration during high tide may be caused by a weak diffusion to the upper layer due to a decrease in the PBL height. The changes in the meteorological variables and ozone concentration during low tide were lesser than those occurring during high tide. This study suggests that the meteorological variations caused by tidal changes have a meaningful effect on the ozone concentration in the SMA.



서해 조석현상에 따른 국지기상 변화가 수도권 오존농도에 미치는 영향

김 성민, 김 유근1), 안 혜연, 강 윤희2), 정 주희2)*
부산대학교 지구환경시스템학부
1)부산대학교 대기환경과학과
2)부산대학교 환경연구원
    National Research Foundation of Korea
    2017R1D1A1B03034592
    2017R1D1A1B03033493

    1. 서 론

    갯벌이란 조류로 운반되어 온 미세한 흙들이 파도가 잔잔한 해안에 오랫동안 쌓여 생기는 평탄한 지형을 말 한다. 우리나라의 갯벌 면적은 2,487.2 km2로 국토면적 의 약 2.4%에 해당한다(Ministry of Oceans and Fisheries, 2014). 서해안은 조차가 크고 넓은 대륙붕이 발달하여 연안에 갯벌이 잘 발달되어 있다. 서해안 갯벌 은 복잡한 리아스식 해안과 반폐쇄성 해역으로 최대 조 차가 약 10 m로 심하고, 수심이 50 m 이내로 얕으며 전 체 갯벌면적의 약 83.8%인 2,084.5 km2가 분포되어 있 다(Oh et al., 2012). 갯벌에서는 기조력에 의해 오르내 리는 현상인 조석현상이 일어나며, 이러한 조석현상에 의해 하루에 두 번씩 지표 특성이 변화한다. 이러한 갯벌 의 지표 상태 변화는 지표의 물리적 성질(알베도, 토양 열용량, 거칠기 길이 등)의 변화를 초래하고(Lam et al., 2006), 이는 서해안지역에 인접해 있는 연안 지역의 기 상변화를 유도한다(An et al., 2017). 이러한 기상변화는 대기 내 광화학적 반응의 변화를 가져와 수도권 오존농 도에 직・간접적으로 영향을 줄 가능성이 있다(Hanna, 1994;Mao et al., 2006;Dawson et al., 2007).

    오존에 영향을 미치는 여러 요인 중에서도 기상과 배 출량 변화는 매우 중요한 요소이다(Pielke and Uliasz, 1998;Seaman, 2000;Lee et al. 2005;Priovano et al. 2007; Kim and Lee, 2011). Jeon et al.(2011)은 기상 입력장의 차이에 따른 기상장의 차이가 오존의 이류와 확산의 패턴에 영향을 미침을 확인하였고, Kang et al.(2008)은 상세 토지피복도 입력에 따른 지표 알베도 증가, 지표 거칠기 길이의 변화가 대기질 모델링의 정확 도를 향상시키는 것을 확인하였다. 그리고 Lee and Kim(2004)과 Jeong et al.(2012)은 질소산화물(NOx) 과 휘발성 유기화합물(Volatile Organic Compounds; VOCs)의 배출량이 오존농도 모의 결과에 영향을 주는 것을 확인하였다. 조석주기 변화에 의한 갯벌의 토지피 복 변화는 기상변화에 영향을 미치는 요소로서 수치모델 에서 각 토지피복 상태에 따라 반사도, 수분량 등의 물리 적 성질이 다르게 적용되어 그 영향과 중요성에 관한 연 구들이 수행되었다. Lee et al.(2016)은 지면 모수화 모 델과 중규모 기상모델을 접합하여 간석지 효과를 고려한 실험을 수행하여 현열 및 잠열 플럭스의 일변화가 증가 함을 확인하였다. An et al.(2017)은 경기만을 대상으로 조석현상으로 인한 지표변화가 지역의 기상조건에 미치 는 영향을 분석하였고, 간조일 때보다 만조일 때 기상변 화가 갯벌을 포함한 풍하측 영역까지 확대되어 나타남을 확인하였다. 반면 국내외 모두 갯벌에서의 대기질에 대 한 연구는 관측을 통한 온실기체(CO2, CH4 등)의 배출 량과 흡입량에 관한 연구는 수행되었으나(Choi et al., 1998;Kim D.S. 2007;Kang et al., 2010;Kang G.U. 2010;Kang et al., 2011), 조석주기가 갯벌 인근 연안 지역의 대기질에 미치는 영향에 관한 연구는 미흡한 실 정이다.

    따라서 본 연구에서는 서해안에서도 가장 규모가 큰 갯벌 분포를 갖는 경기만을 포함하는 수도권 지역을 중 심으로 갯벌의 토지피복 변화가 오존농도 변화에 미치는 영향에 관한 연구를 수행하였다. 이를 위해 대기질 모델 에 갯벌의 토지피복 변화에 의한 기상과 배출량 변화를 함께 고려하여 모델링을 수행하였고, 대상 지역의 오존 농도 변화에 대한 갯벌 내 배출량과 기상변화 효과를 분 석하였다.

    2. 연구자료 및 방법

    2.1. 연구자료 및 모델링 방법

    본 연구에서는 갯벌의 토지피복 변화가 오존농도 변 화에 미치는 영향을 분석하기 위해 3차원 광화학 수송모 델인 CMAQ 모델(ver 5.0.2)을 사용하였다. CMAQ 모 델링의 기상입력 자료는 기상모델인 WRF(Weather Research Forecast) 모델(ver 3.8)을 통해 생성되었다. WRF 모델의 초기 및 경계조건은 NCEP/NCAR (National Centers for Environmental Prediciton/National Centers for Atmospheric Research)에서 제공하는 6시간 간격 의 1° × 1°의 해상도를 갖는 FNL (Final analyses)자료 와 일 간격 0.5 × 0.5°의 해상도를 갖는 SST (Sea Surface Temperature) 자료를 이용하였다. 도메인은 Nesting 기법을 사용하여 총 5가지 영역으로 구성하였 다. 동아시아 영역(61×47, 81 km 격자), 한반도 영역 (64×58, 27 km 격자), 남한 영역(70×76, 9 km 격자), 수도권 영역(82×82, 3 km 격자), 최종 분석영역(115 ×103, 1 km 격자)으로 구성하였고(Fig. 1), 연직층은 44 개로 설정하였다. 토지피복자료에 사용된 입력자료는 우리나라 환경부 환경공간정보서비스(Environmental Geographic Information Service; EGIS)에서 제공하는 1/25,000 축적의 중분류 토지피복자료를 사용하였다. 또 한, 갯벌 면적 자료는 EGIS에서 제공하는 자료뿐만 아니 라 2013년도 해양수산부(Ministry of Oceans and Fisheries; MOF)에서 갯벌면적조사를 통해 산출한 자료 를 추가로 적용해 개선하여 사용하였다. Fig. 2는 최종 분석영역에서의 갯벌 면적 자료를 나타낸 그림으로 왼쪽 그림은 EGIS에서 제공하고 있는 갯벌 면적 자료만을 사 용하여 나타낸 그림이고, 오른쪽 그림은 본 연구에서 적 용한 개선된 갯벌 면적 자료를 사용하여 나타내었다. 최 종 분석영역에서 갯벌 면적은 EGIS와 개선된 자료는 각 각 373 km2(전체 면적의 0.032%)와 917 km2 (0.0789%)로 약 544 km2(0.0468%)의 갯벌분포 차이를 보였다. 본 연구에서는 서해 경기만의 현실적인 갯벌분 포를 적용하기 위하여 EGIS와 MOF 자료를 통해 산출 된 갯벌자료를 기상 및 대기질 모델에 이용하였다. WRF 모델에 사용된 물리옵션은 국립환경과학원의 대기질 모델링 가이드라인(NIER, 2014)을 참고하여 적용하였 다(Table 1).

    CMAQ 모델은 미국 EPA에서 개발한 3차원 광화학 수송 모델로 대류권 내 오존, 미세먼지를 포함한 주요 가 스상/입자상 대기오염물질을 모의할 수 있고, 다양한 규 모에 대한 동시 수치모의가 가능하다(Byun and Ching, 1999). CMAQ모델의 도메인은 WRF모델과 마찬가지 로 5개의 영역과 23개의 연직층으로 구성하였고, CMAQ 모델링에 필요한 물리 및 기타 모듈들에 대한 옵 션은 NIER(2014)를 참고하여 적용하였다(Table 1). CMAQ 모델의 인위적 배출량 처리는 SMOKE (Sparse Matrix Operator Kernel Emissions)모델(ver 3.5)을 이 용하였고, 동아시아 영역 배출량은 MICS_ASIA (Model inter-comparison study for Asia) 2010년 자료 를 사용하였고, 남한 영역에 대해서는 CAPSS (Clean Air Policy Support System) 2015년 자료를 이용하였 다. 자연적 배출량은 BEIS모델(Biogenic Emission Inventory System)(ver 3.14)을 이용하여 D04와 D05 에 대해 산출하였다.

    사례 기간을 선정하기 위해 최근 7년간(2010~2016) 의 최종 분석영역 내 8개 조위관측소의 조위 자료와 20 개 대기질 관측소의 오존 자료, 6개 ASOS (Automatic Synoptic Observation System) 기상 관측자료를 분석 하였고, 강수와 태풍이 존재하지 않고 조위차가 뚜렷하 며 일 최고 오존농도가 80 ppb를 초과하는 날이 포함된 날로 선정하였다. 선정된 사례일은 2016년 8월 3일부터 8월 9일로, 평균 7.4 m의 큰 조차가 발생하였고, 오존농 도는 주간(12 LST∼18 LST)에 평균 64 ppb, 8월 5일 에 일 최고 168 ppb를 기록하였다. 모델링은 사례 기간 과 spin-up 기간을 고려하여 2016년 8월 1일부터 10일 까지 수행하였다.

    2.2. 실험설계 및 연구방법

    본 연구에서는 갯벌의 토지피복 변화에 따른 오존농 도 변화를 분석하기 위해 3개의 실험을 구성하였다. 각 실험은 (1) 만조와 간조 사이에 지표가 촉촉한 상태 (EXP-BASE), (2) 밀물이 가장 높은 해면까지 꽉 차게 들어와 지표가 물로 덮이는 만조(EXP-HIGH), (3) 바다 에서 조수가 빠져나가 해수면이 가장 낮아진 지표가 마 른 상태인 간조(EXP-LOW)로 설계하였으며, 실험별로 기상 자료, 토지피복 자료와 배출량 자료를 다르게 적용 하였다. 모델에서 EXP-BASE는 기본 실험으로 coastal wetland (CWE)의 토지피복도를 적용하였고, EXP-HIGH 는 water bodies (WBO)의 토지피복도, EXP-LOW는 Barren or Sparsely Vegetated (BSV)의 토지피복도를 각각 적용하였다. WRF모델에서 정의하는 7개 종류의 토지피복 파라미터(알베도, 지표 수분함량, 토지 열용량, 거칠기 길이, 열적 관성, 방사율, 눈 효과) 중 실험에 사용 된 3개의 토지피복에 해당되는 CWE, WBO, BSV에 해 당되는 값을 Table 2에 제시하였다. 일반적으로 기상모 델을 수행할 때 서해 갯벌은 USGS의 habaceous wetland로 분류되어, 연안 갯벌의 물리 파라미터 값과는 상당한 차이를 보이고 있다. 이에 본 연구에서는 한반도 연안습지를 대상으로 지표 알베도, 거칠기 길이, 열용량 을 측정 및 위성탐사조사를 수행한 선행연구(Kim et al., 2007;Park et al., 2009;Han and Peng, 2012)의 연구 결과를 이용하여 EXP-BASE에 적용한 CWE의 토지피 복 파라미터를 개선하여 적용하였다. 토지피복 파라미터 중 알베도, 거칠기 길이, 열용량에서 실험별 차이가 나타 났으며 열용량이 가장 큰 차이를 보였다. 지표의 열용량 은 모델 내에서 가열과 냉각의 변화를 가져와 기온 변화 에 영향을 주는데(Lam et al., 2006), 열용량 증가는 기 온 변화의 감소를 유도하고 열이 수증기의 형태로 배출 됨에 따라 습도 증가를 유도할 것으로 예상된다. 알베도 의 증가는 태양광선을 반사하는 정도가 증가하여 기온 하강을 유도하고, 거칠기 길이의 증가는 풍속 감소를 유 도할 것으로 예상된다. 갯벌의 토지피복도에 따라 배출 량 산정결과, 배출량은 Isoperene (ISOP)의 경우 EXP-BASE에서 EXP-HIGH, EXP-LOW보다 최대 0.00075 moles/s (0.18%) 높게 산정되었으나 NO (Nitric Oxide) (0000035 moles/s, 0.000002%), CO (Carbon monoxide) (0.00025 moles/s, 0.000054%)등 다른 물 질들은 전반적으로 실험별 차이가 작게 나타났다. 따라 서 본 연구에서는 갯벌의 토지피복에 따른 기상변화가 오존농도 변화에 미치는 영향을 중심으로 분석하였으며, 갯벌에서 만조가 되거나 간조가 되었을 경우 나타나는 기상학적인 변화와 이런 변화가 오존농도에 어떤 영향을 미치는지를 분석하였다.

    3. 결과 및 고찰

    3.1. 모델검증

    기본 실험인 EXP-BASE 결과의 신뢰성을 평가하기 위해 Table 3에 통계 지표들(Mean Bias, MB: Mean absolute gross error, MAGE; Root mean square error, RMSE; Index Of Agreement, IOA)을 사용하여 모델 링 결과를 분석하였다. 최종 분석 영역에 속하는 ASOS 6지점과 AWS (Automatic Weather System) 60지점, 대기질 관측지점 91지점의 관측 자료를 이용하였다. WRF모델은 기온, 상대습도, 풍속, U10, V10을 평가하 였고 CMAQ모델은 1시간 오존농도에 대해 분석하였다. 갯벌 조석현상의 영향과 해안선으로 부터 거리에 따른 모델결과 차이를 분석하기 위하여 세 구역으로 나누어 통계분석을 진행하였다. 갯벌 또는 바로 인근에 관측자 료가 존재하는 지역을 IZ (Intertidal Zone)로 설정하였 고, 해안선으로부터 약 20 km 내 관측자료가 존재하는 지역은 CR (Coastal Regions), 그 외 내륙지역은 IR (Inland Regions)로 하였다. 각 구역의 관측지점 수는 IZ 구역은 기상 관측소 15개 지점, 대기질 관측소 3개 지점 의 자료를 이용하였고, CR구역은 기상 관측소 10개 지점, 대기질 관측소 38개 지점, IR구역은 기상 관측소 49개 지점, 대기질 관측소 54개 지점의 자료를 이용하였다.

    최종 분석 영역에 속하는 전 지점의 자료를 이용한 통 계지표들을 살펴보면, 기온과 풍속은 MBE (Mean Bias Error) 값이 0.48 °C 와 0.13 m/s로 약간 과대 모의하는 경향을 보였으나, 상대습도는 MBE 값이 - 2.00%로 모 델이 과소 모의하는 경향을 보였다. 전반적으로 기상요 소는 관측 자료와의 RMSE 값이 작고(기온 RMSE 1.41 °C, 풍속 RMSE 0.71 m/s, 습도 RMSE 10.61%), IOA 는 높아(기온 IOA 0.92, 풍속 IOA 0.69, 상대습도 IOA 0.79) WRF 모델링 결과가 유의한 것으로 평가되었다. 그러나 IZ 구역의 경우, 기온과 습도는 IOA가 0.87과 0.75로 CR구역(0.95와 0.78)과 IR구역(0.94와 0.86)의 IOA에 비해 낮은 일치도를 보였고, RMSE는 1.79 °C 와 11.42%로 CR구역에 비해 높은 편차를 보여 모델 정확 도가 낮은 것을 확인할 수 있다. 이는 기본 실험인 EXP-BASE가 조석현상으로 인한 토지피복변화를 고려 하지 않고 coastal wetland의 토지피복도가 적용되어 모 델이 수행되었기 때문에 상대적으로 CR구역과 IR구역 보다 낮은 정확도를 보인 것으로 판단된다. 이러한 IZ 지 역의 기상학적인 변화는 인근 CR지역의 습도와 바람장 에도 일부 영향을 미친 것으로 보인다.

    오존의 경우 MBE와 RMSE가 각각 - 11.83 ppb, 30.87 ppb로 계산되어 다소 높은 오차를 내포한 과소모의 경향을 보였고 IOA가 0.5로 낮은 일치도를 나타냈다. 오 존 통계분석 결과에서도 IZ 구역이 IOA가 가장 낮게 (0.38) 계산되었는데, 이는 IZ구역의 기상요소의 낮은 정 확도 때문으로 사료된다. EXP-BASE의 통계검증에서 전반적으로 갯벌의 영향권에 있는 IZ구역의 정확도가 다 른 지역에 비해 낮게 모의된 것을 확인하였으며, 이러한 결과는 갯벌의 조석현상에 따른 토지피복의 시간변화를 모델에서 고려하지 못하기 때문으로 사료된다. 이러한 영향을 확인하기 위하여 다음 절에서 토지피복의 변화에 따른 EXP-HIGH와 EXP-LOW의 결과와 비교 분석하 여 기상요소와 오존의 변화를 확인하고자 한다.

    IZ 구역의 관측 값과 모델링 결과를 보다 상세히 비교, 분석하기 위해 갯벌 인근에 위치해 있는 AWS 장봉도 (577)지점과 대기질 관측소 운서(823702)지점의 기상 요소와 오존농도의 시계열 그래프를 Fig. 3에 제시하였 다. 간/만조의 변화를 참고하여 분석하기 위하여 Fig. 3 의 기온 그래프에 인천 조위관측소의 조위 변화를 제시 하였다. 장봉도 기상관측지점은 상대적으로 일 최고기온 을 과대모의(최대 약 3.4 °C)하는 경향이 있다. 상대습도 의 경우, 낮 시간에는 약간 과대모의(최대 약 9%)하고, 밤 시간에는 과소 모의하는 것으로 나타났다. 이는 기온 의 모의특성과 토지피복의 변화에 의한 영향으로 사료된 다. 풍속은 전반적으로 일변화 경향은 잘 재현하고 있지 만, 낮 시간의 최대 풍속을 다소 과소모의(최대 약 1.7ms-1) 하는 특징을 보였다. 운서지점의 오존 시계열을 살펴보면, 전반적으로 관측값보다 과소모의 하는 경향이 뚜렷하고 특히 일 최고 오존농도가 나타나는 주간에 가 장 큰 차이를 보였다. 사례일 중에서도 오후시간에 만조 가 나타난 8월 3-6일에 관측값과 모델값의 차이가 더 크 게 나타났다. 이러한 분석을 토대로 서해 경기만의 조석 현상에 따른 토지피복 변화가 기상과 오존농도 분포에 영향을 줄 가능성에 대해 제시하였고, 다음 절에서는 토 지피복의 변화가 기상요소와 오존농도에 주는 영향과 관 계에 대해 정량적으로 분석하고자 한다.

    3.2. 기상 및 오존농도 변화 분석

    오존농도가 높은 주간(daytime, 12 18 LST) EXP -BASE의 기상요소(기온, 습도, 풍속, PBL(Planatary Boundary Layer) 고도) 모의특성을 Fig. 4에 제시하였 고, 기상요소에 대한 만조의 영향(Diff(HT), EXP-HIGH 와 EXP-BASE의 차이)과 간조의 영향(Diff(LT), EXP -LOW와 EXP-BASE의 차이)을 Fig. 5에 제시하였다. 사례기간은 일본 동쪽에서 크게 발달한 북태평양 고기압 과 중국에 위치한 고기압의 영향으로 폭염이 지속되어 평균기온이 28.5 °C, 평균 일 최고기온 33.5 °C 가 나타났 다. EXP-BASE 실험 결과에서도 전반적으로 수도권 전 역에 30 °C 이상의 기온분포가 나타났고, 서울 도심에서 는 최고 34 °C, 연안 일부 지역에서는 31-33 °C 기온분포 를 나타내었다. PBL 고도의 경우 기온의 수평분포와 유 사하게 서울을 포함한 수도권 내륙지역(1500 m 이상)이 연안 지역(900 1300 m)보다 높게 발달한 것을 볼 수 있다. 습도는 내륙에서는 50-60%, 연안은 60-70%를 보 였고, 풍속은 연안 지역(3.5-4.5 m/s)이 내륙지역 (1.5-2.5 m/s)보다 약간 높게 나타났다. 이러한 기상조건 은(높은 기온과 습도 분포, 내륙지역의 약한 바람 등) 수 도권 지역의 고농도 오존을 생성시키기에 중요한 역할을 한 것으로 사료된다.

    서해 경기만 갯벌이 만조와 간조가 되었을 때 인근 연 안 지역과 수도권 전역에 야기하는 기상학적인 변화와 오존농도 분포에 미치는 영향을 확인하기 위하여 먼저 기온, PBL고도, 습도, 풍속의 Diff(HT)와 Diff(LT) 결 과를 이용하여 분석하였다. 만조의 영향으로(Diff(HT)) 갯벌이 물로 바뀌면서 기온은 연안 갯벌을 중심으로 최 대 4.5 °C 감소하였고, PBL고도는 최대 800 m 감소하였 다. PBL고도의 변화는 기온변화가 나타난 지역보다 조 금 더 내륙안쪽까지 영향을 미치는 것을 확인하였다. 이 는 갯벌(CWE)과 물(WBO)의 토지피복에 대한 열용량 과 알베도의 차이에 기인한 것으로 판단된다. 지표 수분 함량의 증가와 거칠기 길이의 감소로 습도는 연안 갯벌을 중심으로 최대 25% 증가하였고, 풍속은 연안 지역을 중 심으로 최대 1.5 m/s 증가하였다. 이러한 만조에 의한 기 상학적인 변화는 선행연구인 An et al.(2017)의 결과와 유사하게 나타났다. 간조는(Diff(LT)) 만조에 비해 기상 학적인 변화가 뚜렷하기 않았다. 기온과 PBL고도는 내 륙 일부 지역에서 약간 증가하였고, 습도와 풍속도 변화 가 미미하였다(약 1%, ±0.4 m/s이내). 간조의 경우 적용 된 토지피복도인 BSV와 갯벌(CWE)의 물리 파라미터 값이 상대적으로 큰 차이를 보이지 않기 때문으로 사료 된다. 또한, 본 연구에서 갯벌에 대한 지표면 물리 파라미 터를 개선한 것처럼 간조의 토지피복에 대해서도 현실적 인 개선이 필요하다고 판단된다. 이러한 결과를 통해 조 석효과로 인한 지표면의 물리적 성질 변화가 인근 연안 지역과 수도권 일부 지역의 기온, PBL고도, 습도, 풍속 의 변화에 직접적인 원인으로 작용한 것을 확인하였다.

    Fig. 6은 사례기간 동안 주간의 오존농도 분포를 나타 내었다. EXP-BASE의 오존농도 분포와 만조(Diff(HT)) 와 간조(Diff(LT))에 의한 오존농도 변화의 공간분포를 제시하였다. 사례기간동안은 수도권 전역에 평균 55 ppb 이상의 오존농도가 나타났고, 특히 안양을 포함한 남쪽 지역에 오존 고농도를 보였다. 그러나 EXP-BASE에서 는 상대적으로 관측값보다 낮은 오존농도를 모의하였고, 고농도가 나타나는 지역도 약간 차이를 보였다. 만조의 영향은(Diff(HT)) 연안 지역의 오존농도를 최대 5.0 ppb 정도 증가시켰고, 서울과 수도권 남쪽의 일부 지역에서 도 최대 3.0 ppb의 변화를 야기하였다. 이는 만조로 인해 낮아진 PBL고도의 영향으로 사료되며, 생성된 오존이 상층으로 확산되지 못하고 지표 인근에 축적된 결과로 보인다. 만조에 의해 증가된 오존은 관측값보다 오존농 도를 낮게 모의한 EXP-BASE의 결과를 약간 개선시켜 줄 가능성이 있다. 하지만 간조의 영향은(Diff(LT)) 연안 지역보다는 내륙 일부 지역에서 차이를 보였으나 만조에 의한 영향보다는 크기가 미미하였다. 이는 기상요소의 차이가 상대적으로 작았기 때문으로 해석된다. 사례일 주간의 평균적인 분석에서 만조의 영향은 연안 지역을 중심으로 기온 하강, PBL고도 감소, 습도 상승, 풍속 증 가를 야기하였고, 이러한 기상변화가 갯벌을 포함한 연 안 지역과 수도권 남쪽 일부 지역에 오존농도를 증가시 켰다. 반면, 간조의 효과는 기상, 오존 모두 만조의 효과 에 비해 미미하게 나타났다.

    만조의 영향을 보다 상세하게 분석하기 위하여 사례 일 중에서 만조에 오존농도가 높았던 시간(8월 4일 1500 LST)을 선정하여 만조에 의한 기상요소와 오존농도의 영향과 공간분포를 분석하였다(Fig. 7-8). 만조였던 8월 4일 1500 LST는 수도권 최고 오존농도가 133 ppb, 인 천지점의 조위는 484 m를 보였다. Fig. 7은 만조였던 8 월 4일 1500 LST의 EXP-HIGH 기상요소 공간분포와 Diff(HT) 기상분포를 나타내고, Fig. 8은 같은 시간의 관측값 분포와 EXP-HIGH의 오존농도 분포, Diff(HT) 오존농도분포를 나타낸다. EXP-HIGH의 공간 분포는 EXP-BASE와 유사하게 나타났지만, 연안 지역에서 차 이가 나타났다. 8월 4일 1500 LST의 Diff(HT)의 분포 는 Diff(HT)의 주간 평균 분포와 유사하지만 차이가 더 크게(기온 - 5 °C, PBL고도 - 1500 m, 습도 30%, 풍속 3 m/s) 나타났다. 이는 1500 LST가 기상변화가 많이 일 어나는 시간으로 평균값보다 더 차이가 크게 나타난 것 으로 사료된다. 오존농도는 관측 값의 분포는 전체적으 로 70 ppb 이상의 농도 분포를 보이고 있고 수도권 남쪽 지역에서 고농도가 나타났다. 관측값보다 EXP-HIGH값 이 전체적으로 과소 모의한 것을 알 수 있고 관측 값의 농 도 분포와 비교하면 주간시간 평균 분포와 동일하게 고 농도가 나타났던 지역의 위치가 다르게 나타났다. 하지 만 Diff(HT)의 오존 분포를 살펴보면, 기상요소의 변화 가 뚜렷하게 나타난 연안 지역에서 일부 감소한 지역도 있지만 전체적으로 증가(최대 15 ppb)하여 나타났다. 이 는 주간의 평균 분포와 같이 연안 지역 기온의 감소로 인 해 PBL 고도가 낮게 발달되며 생성된 오존이 상층의 공 기와 섞이지 못하여 지표에 축적되어 증가한 것으로 해 석된다. 이러한 결과를 통해 EXP-HIGH 오존 분포가 상 대적으로 관측값과 더 유사하게 모의되어, EXP-BASE 보다 개선된 모습을 확인할 수 있다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 수도권을 대상으로 갯벌의 토지피복 변화를 고려한 CMAQ 모델링을 수행하여 조석 현상에 따른 국지 기상 변화가 오존농도에 미치는 영향을 분석 하였다. 갯벌의 토지피복도를 다르게 적용한(CWE, WBO, BSV) 세 실험을(EXP-BASE, EXP-HIGH, EXP-LOW) 수행하였고 오존농도가 높은 주간(1200 LST-1800 LST)의 평균분포와 만조와 간조에 의한 실 험별 차이를 분석하였다.

    만조에 의한 영향(EXP-HIGH와 EXP-BASE의 차 이)은 연안 지역에서 주간에 기온이 최대 -4.5 °C 감소 하였고, PBL 고도는 최대 - 1200 m 감소, 습도는 최대 + 25% 증가, 풍속 또한 최대 +1.5 m/s증가하였다. 이러 한 기상학적인 변화는 갯벌을 포함한 연안 지역을 중심 으로 오존농도를 최대 5.0 ppb 증가시켰고, 내륙지역에 서는 영향이 미미하였다. 만조시 오존농도의 증가는 기 온감소로 인해 PBL고도가 낮게 발달하여 오존이 상층으 로 확산되지 못하고 지표 인근에 축적된 것으로 사료되 며, 연안 인근의 풍속 증가로 인해 내륙지역까지 영향을 준 것으로 보인다. 간조의 영향(EXP-LOW와 EXP-BASE의 차이)은 기상요소와 오존농도 모두 연안 지역에서 뚜렷하지 않았고 일부 내륙지역에 약간의 차이 를 보였다(최대 3.0 ppb). 오존농도 변화가 뚜렷했던 만 조의 영향을 상세히 분석하기 위하여 사례일 중 만조에 고농도 오존농도가 나타났던 시간을 선정하여 분석하였 다. 주간의 평균적인 분포와 유사하게 기온 감소, PBL고 도 증가, 습도 증가, 풍속 증가와 같은 기상학적인 변화를 보였고, 이로 인해 연안 지역 오존농도 증가(최대 15 ppb)가 나타났다. 기본 실험인 EXP-BASE에서 관측값 보다 낮은 오존농도를 모의하고 고농도가 나타나는 지역 도 약간 차이를 보였는데, EXP-HIGH에서는 약간 개선 된 모습을 보였다. 갯벌, 만조, 간조로 토지피복을 변화시 킨 모델링 연구를 통해 서해 갯벌의 조석효과가 갯벌을 포함한 인근 연안 지역과 수도권 일부 내륙지역에 기상 학적인 변화와 오존농도 분포에 영향을 주는 것을 확인 할 수 있었다. 하지만 본 연구에 적용된 토지피복의 물리 파라미터는 간조인 BSV에 대해서는 현실과는 차이가 있어 간조에 의한 기상요소와 오존농도 변화를 상세히 분석하지는 못하였다. 또한, 오존농도 모의에 있어 다소 높은 오차와 과소모의 경향을 보이는 한계점도 존재하였 다. 그럼에도 본 연구는 조석효과로 인한 기상변화가 오 존농도에 미치는 영향을 정량적으로 평가한 연구로써 의 미 있는 연구라 사료되며 보다 상세하고 정확한 배출량 입력 자료와 토지피복의 물리 파라미터 개선, 조석효과 에 의한 토지피복의 시간적인 변화가 기상과 대기질 모 델에 적용된다면 향후 더 좋은 결과를 도출할 수 있을 것 으로 기대한다.

    감사의 글

    이 논문은 2017년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연 구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임(NRF- 2017R1D1A1B03034592와 NRF-2017R1D1A1B030 33493).

    Figure

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    Map showing the five nested grid domains for the WRF and CMAQ model. The right figure indicates the final domain with terrain heights, the locations of meteorological stations, and ozone air quality monitoring sites.

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    Each land-use distributions using data provided by EGIS (a) and by EGIS and MOF (b) at 1km resolution. Land-use with black color indicates coastal wetlands.

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    Diurnal variation of observed and simulated temperature, humidity and wind speed at Jangbongdo meteorological station. The final figure indicates the simulated ozone concentrations at Unseo air quality sites.

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    Horizontal distributions of height of temperature, PBL height, humidity, wind speed for EXP-BASE during daytime (1200 - 1800LST).

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    Horizontal distributions of temperature, PBL height, humidity, wind speed for Diff(HT) and Diff(LT) during daytime (1200 1800LST). Diff(HT) (left panel) means difference between EXP-BASE and EXP-HIGH (EXP-HIGH minus EXP-BASE). Diff(LT) (right panel) means difference between EXP-BASE and EXP-LOW (EXP-LOW minus EXP-BASE).

    JESI-28-3-341_F6.gif

    Horizontal distributions of ozone concentration for observation data, EXP-BASE, Diff(HT) and Diff(LT) during daytime (1200 1800LST).

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    Horizontal distributions of temperature, PBL height, humidity, wind speed for EXP-HIGH and Diff(HT) at 1500LST on August 4, 2016.

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    Horizontal distributions of ozone concentration for observation data, Diff(HT), and EXP-HIGH at 1500LST on August 4, 2016.

    Table

    Details of the grids and physical options used in the WRF and CMAQ model

    Classification of land cover categories for the three experiments and the representative values of the three physical surface parameters used in the WRF model

    Statistical evaluation between the observed and modeled meteorological parameters and ozone concentrations according to the location of observation sites for Domain 5 of EXP-BASE experiment

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