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ISSN : 1225-4517(Print)
ISSN : 2287-3503(Online)
Journal of Environmental Science International Vol.29 No.7 pp.761-772
DOI : https://doi.org/10.5322/JESI.2020.29.7.761

Characteristics of Summertime High PM2.5 Episodes and Meteorological Relevance in Busan

Byung-Il Jeon*
Department of Chemical Engineering, Silla University, Busan 46958, Korea
*Corresponding author: Byung-Il Jeon, Department of Chemical Engineering, Silla University, Busan 46958, Korea Phone : +82-51-999-5056 E-mail: bijeon@silla.ac.kr
30/04/2020 22/06/2020 22/06/2020

Abstract


This research investigated the meteorologically relevant characteristics of high PM2.5 episodes in Busan. The number of days when daily mean PM10 concentration exceeded 100 /m3 and the PM2.5 concentration exceeded 50 /m3 over the last four years in Busan were 24 and 58, respectively. Haze occurrence frequency was 37.6% in winter, 27.4% in spring, 18.6% in fall, and 16.4% in summer. Asian dust occurrence frequency was 81.8% in spring, 9.1% in fall and winter, and 0% in summer. During summer in Busan, high PM2.5 episode occurred under the following meteorological conditions. 1) Daytime sea breeze. 2) Mist and haze present throuout the day. 3) Anti-cyclone located around the Korean peninsula. 4) Stable layer formed in the lower atmosphere. 5) Air parcel reached Busan by local transport rather than by long-range transport. These results indicate that understanding the meteorological relevance of high PM2.5 episodes could provide insight for establishing a strategy to control urban air quality.



부산지역 여름철 고농도 PM2.5 농도 사례와 기상학적 관련성

전 병일*
신라대학교 화학공학과

    1. 서 론

    연무는 입자상 에어로졸이 공기 중에 축적할 때 발생 하며, 태양복사를 산란하고 흡수해서 대기혼탁도를 증가 시켜 시정악화를 야기한다(Xu et al., 2013). 또한 대기 중의 태양복사와 적외선 복사를 변화시켜 광역적인 기후 와 생태 및 농업시스템에 심각한 영향을 미친다. 그리고 연무는 하늘이 부옇게 됨에 따라 우울증의 빈도를 증가 시킬 뿐만 아니라, 입자상물질과 가스상 오염물질의 농 도의 지시자 역할을 한다(Hyslop, 2009). 연무는 호흡 계, 심혈관계 질병 그리고 암과 조기사망을 일으킨다(Liu and Li, 2015). 연무가 형성되기 위한 메커니즘으로 공 기괴가 정체할 종관 조건, 가스의 입자상 변환, 행성경계 층의 변화, 상대습도의 영향, 기류 등 5가지 원인을 들 수 있다(Li et al., 2018).

    일반적으로 연무 현상은 겨울철에 빈번히 발생하는 것으로 알려져 있으며, 특히 중국 북부 도시에서 심각한 동계 연무 발생과 관련된 연구가 이루어졌으나(Yao et al., 2002;Fu et al., 2008), 중국 남부 도시에서는 여름 철 연무 현상이 빈번히 발생하여 그에 대한 연구도 이루 어졌다(Wang et al., 2006;Pathak et al., 2009). 일본 동경에서 2008년 하계 광화학옥시탄트 고농도일과 PM2.5 농도 상승 현상은 국지기상과 연관된 국지적인 메 커니즘이 주된 것으로 해석하였고, 일본 나라현의 2013 년도 8월의 고농도 사례도 오염기괴의 국지적인 축적에 의한 것으로 결론 내렸다(Yoshikado, 2018).

    국내에서 연무에 의한 고농도 미세먼지 특성에 대한 연구로는 Park and Yu(2018)가 광주광역시에서 2018 년 3월 25일부터 3월 29일까지 24시간 기준으로 대기 에어로졸 입자를 크기별로 채취하여, 대기 에어로졸 입 자와 수용성 유기 및 이온 성분들의 질량크기분포와 생 성 과정을 조사한 바 있다. Koo et al.(2018)은 2013년 1월 12일∼18일까지 서울에서 발생한 연무 사건의 기상 학적 및 화학적 특성을 분석한 바 있다. Lee et al.(2011) 은 서울에서 고농도 PM10 발생과 관련된 오염원과 기상 학적 조건을 상세하게 분석하여, 하계의 고농도 원인은 장거리수송보다는 국지적인 요인이 우세하다고 하였다. Lee et al.(2008)은 2008년 서울에서 가을철 고농도 PM10 발생시 중국으로부터 수송된 경로와 영향 등을 체 계적으로 분석한 바 있다. 부산지역에서 여름철 연무에 대한 연구는 거의 없으며, Jeon(2017)이 1996년부터 2015년까지 20년간 부산지역의 연무 발생일을 월별로 조사하여, 3월이 82일(14.7%)로 가장 높았고 9월이 가 장 낮은 발생빈도를 보였고, 여름철이 4계절 중 가장 낮 은 17.7%를 나타내었다고 하였다. 또한 2009년부터 2015년까지 6년간 미세먼지 농도를 분석한 결과, 연무 발생일에 미세먼지 농도가 PM10은 70.6 ㎍/m3, PM2.5은 42.4 ㎍/m3로 높은 농도를 보였다고 하였다.

    따라서 본 연구는 부산지역에서 여름철에 발생한 연 무현상과 고농도 미세먼지 사이에 어떤 연관성을 가지고 있는지를 기상자료와 미세먼지 자료를 이용해 체계적으 로 분석하였고, 특히 2018년 여름철에 발생한 고농도 미 세먼지 발생 사례를 체계적으로 분석하였다. 이러한 여 름철 고농도 미세먼지농도에 대한 정량적인 평가는 향후 부산지역 미세먼지의 효율적인 관리와 개선방안 제시에 통찰력을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

    2. 재료 및 방법

    본 연구에서 사용된 자료는 기상자료와 대기질자료로 나눌 수 있다. 기상자료는 부산지방기상청에서 측정한 일기상통계표와 일기도 그리고 NOAA에서 제공하는 backward trajectory와 sounding 곡선을 이용하였다. 본 연구지역에서 하계 고농도 미세먼지 농도가 공기궤의 이동 과 어떠한 연관성을 가지고 있는가를 조사하기 위하여 미 국의 해양기상청(NOAA: National Ocean Atmospheric Administration)에 의해 개발된 HYSPLIT-4 (HYbrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory) 모 형을 사용하였다(Draxler and Rolph, 2013). 역궤적의 모사 시간을 48시간으로 하고 6시간 간격으로 하였으며, 공기궤의 착지점의 좌표는 부산지방기상청으로 설정하 였으며, 공기덩어리의 이동고도는 500 m와 1,000 m로 하였다. 본 연구에서 사용한 PM10과 PM2.5의 농도자료 는 2015년 1월 1일부터 2018년 12월 31일까지 최근 4 년간 시간별 평균 농도로서 부산광역시 보건환경연구원 에서 관리하는 부산지역 21개 자동관측망(도시대기 19 개소, 도로변 대기 2개소)의 자료를 사용하였다.

    3. 결과 및 고찰

    3.1. 부산지역 고농도 미세먼지 발생 현황

    2015년 1월 1일부터 2018년 12월 31일까지 4년간 부산지역 대기오염자동측정망 21개소(도시지역 19개소, 도로변 2개소)에서 측정된 PM10과 PM2.5의 일평균 농도 를 조사하여 보았다. 먼저 PM10를 보면, 대기환경기준 100 ㎍/m3를 초과한 경우가 2015년 2월 23일의 193.9 ㎍/m3를 비롯하여 6일, 2016년은 4월 23일의 180.0 ㎍ /m3를 비롯하여 8일, 2017년은 5월 7일의 133.3 ㎍/m3 를 비롯하여 5일, 2018년은 4월 15일의 168.8 ㎍/m3를 비롯하여 5일이 발생하여 2015년부터 2018년까지 4년 간 총 24일이 발생하였다. PM2.5를 보면, 대기환경기준 50 ㎍/m3(2018년 3월 27일 이전 기준치)를 초과한 경우 가 2015년 10월 20일의 65.9 ㎍/m3를 비롯하여 11일, 2016년은 12월 5일의 66.6 ㎍/m3를 비롯하여 19일, 2017년은 1월 19일의 77.4 ㎍/m3를 비롯하여 11일, 2018년은 12월 20일의 69.8 ㎍/m3를 비롯하여 17일이 발생하여 2015년부터 2018년까지 4년간 총 58일이 발 생하였다. 이중에서 부산지역에서 여름철 PM10의 대기 환경기준치를 초과한 경우는 단 한 차례도 발생하지 않 았으나, PM2.5의 대기환경기준치를 초과한 경우는 2015 년에 5일, 2016년과 2017년에 각각 1일, 2018년에 4일 이 발생하여 4년간 총 11일이 발생하였으며, 2일 연속으 로 대기환경기준치를 초과한 경우는 2015년 7월 14일과 15일, 2018년 6월 7일과 8일, 그리고 2018년 7월 19일 과 20일로 총 3차례 발생하였다. 본 연구는 여름철을 대 상으로 고농도 미세먼지를 고찰한다는 연구취지에 맞게 2일 연속 고농도 PM2.5를 나타낸 2018년 6월 7일∼8일 과 7월 19일∼20일을 대상으로 사례연구를 시행하였다.

    3.2. 부산지역 기상현상별 고농도 미세먼지 발생 특성

    Table 1은 2015년 1월 1일부터 2018년 12월 31일까 지 4년간 부산지역의 연무 발생일수를 월별로 나타낸 것 이다. 연무는 시정이 1 km 이상이고 습도가 75% 이하일 때, 대기 중에 연기, 먼지 등 미세하고 건조한 고체입자가 떠 있어서 공기의 색이 우윳빛으로 흐려 보이는 현상이 다(Jeon, 2017). 3월이 32일(14.2%)로 가장 높았고, 1월 과 12월이 29일(12.8%)로 두 번째이었으며, 가장 발생 이 낮은 달은 8월로 7일(3.1%)이었다. 연도별로 보면, 2018년이 65일로 가장 높았고, 2015년이 48일로 가장 낮았다. 4년이라는 짧은 기간이지만 연무의 발생빈도가 점차 높아지고 있다는 것을 알 수 있다.

    Table 2는 2015년부터 2018년까지 부산지역에서 4 년간 연무와 황사의 발생빈도를 계절별로 나타낸 것이다. 표에서 보는 바와 같이 봄철(3∼5월)의 황사발생률이 81.8%(18일)로서 대부분을 차지하였고, 가을철(9∼11 월)과 겨울철(12∼2월)의 발생은 9.1%(2일)로 매우 낮 은 발생률을 보이고 있다. 그러나 여름철(6∼8월)은 황사 가 전혀 발생하지 않았다. 위에서 언급하였듯이 봄철의 황사 발생이 탁월하게 우세한 비율을 보이는 특성이 있 는 반면, 연무는 겨울철이 37.6%, 봄철이 27.4%, 가을철 이 18.6% 그리고 여름철이 16.4%로서 황사와는 전혀 다른 발생 특성을 보였다. 즉 연무는 봄, 여름, 가을, 겨울 을 가리지 않고 발생한다는 것을 알 수 있다. 따라서 황사 는 봄철의 불청객이라고 할 수 있으나, 연무는 1년 내내 발생하는 기상현상으로 볼 수 있다(Chun et al., 2003).

    Table 3은 부산지역에서 2015년부터 2018년까지 4 년간 일평균 PM10 농도가 대기환경기준 100 ㎍/m3를 초 과하는 일수를 기상현상별로 조사하여 월별로 나타낸 것 이다. 순수하게 황사만 발생한 경우가 9일로 전체 24일 중 38%로 높았고, 황사현상과 결부된 연무와 박무를 포 함하면 16일로 전체의 67%를 차지하였다. 대기환경기 준치를 초과하는 고농도 PM10은 황사발생일과 매우 연 관이 높은 것으로 나타났고, 4월에 가장 높은 발생빈도를 나타내었다. 겨울철(12월∼2월)에 7일이 발생하였는데, 이는 Table 2에서와 같이 동계에 많이 발생하는 연무 현 상과 관련이 있는 것으로 판단된다. 그리고 여름철(6월 ∼8월)과 9월 및 10월은 대기환경기준을 초과하는 일은 발생하지 않았다.

    Table 4는 부산지역에서 2015년부터 2018년까지 4 년간 일평균 PM2.5 농도가 대기환경기준치인 50 ㎍/m3 를 초과하는 일수를 기상현상별로 조사하여 월별로 나 타낸 것이다. 연무만 발생한 경우가 25일(43%)로 가장 높았으며, 연무현상을 동반한 박무, 비, 안개, 황사, 눈 현 상을 포함하면 49일로 전체의 84%를 차지하였다. 따라 서 대기환경기준치를 초과하는 고농도 PM2.5은 연무발 생일과 매우 연관이 높은 것으로 나타났으며, 특히 연무 발생 빈도가 높은 겨울철에 높았다. 계절별로 보면, 겨울 철이 26일(45%)로 가장 높았고, 다음으로 봄철(28%), 여름철(19%) 순이었다. 여름철의 PM10은 대기환경초과 일이 한차례도 없었으나(Table 3 참조), PM2.5의 경우는 11일이나 발생하여 매우 대조적인 모습을 보였다.

    3.3. 부산지역 여름철 고농도 PM2.5 발생 사례와 기상학 적 관련성

    본 절에서는 Table 4와 같이 겨울철의 심각한 연무발 생으로 고농도 PM2.5의 발생이 자주 나타나고 있으나, 최 근에 여름철의 연무로 고농도 PM2.5가 발생하는 사례가 있어, 이에 대한 체계적인 연구가 요구되고 있다. 따라서 부산지역에서 여름철 PM2.5농도가 2일 연속 대기환경기 준치인 50 ㎍/m3를 초과한 사례에 중에서 2018년도에 발생한 두 사례를 대상으로 분석하였다.

    3.3.1. 2018년 6월 7일 8일 사례

    본 사례는 2018년 6월 7일과 6월 8일 이틀 연속으로 부산지역 21개 지점 일평균 PM2.5 농도가 50 ㎍/m3를 초 과하였다. Fig. 1은 본 연구 사례기간 전·후 하루를 포함 한 6월 6일부터 6월 9일까지 4일간의 PM10, PM2.5 그리 고 PM2.5/PM10 비를 나타낸 것이다. 먼저, PM2.5 농도를 보면, 고농도 사례일 하루 전인 6월 6일 0500 LST에 최 저농도(28.5 ㎍/m3)를 기록한 후 점점 증가하여 1400 LST에 최고농도(50.5 ㎍/m3)를 나타내었고 1900 LST 까지 하강하다가 이후 다시 농도가 상승하였다. 고농도 사례 첫날인 6월 7일은 전날 야간부터 상승한 농도의 영 향으로 0100 LST에 60.5 ㎍/m3에 이르렀고 1300 LST 까지 60 ㎍/m3 안팎의 고농도가 12시간이상 지속되었다. 고농도 사례 둘째 날인 6월 8일은 0400 LST 이후 지속 적으로 농도 증가를 나타내면서 2200 LST에 67.3 ㎍/m3 의 최고농도를 나타낸 후, 계속 하강하여 사례 다음날인 6월 9일 0700 LST에 40.2 ㎍/m3를 나타낸 후 농도는 계 속 하강하였다. 고농도 첫째 날인 6월 7일의 부산지역 PM2.5 일평균농도는 53.3 ㎍/m3이었고 둘째 날인 6월 8 일은 51.7 ㎍/m3이었다.

    PM10 농도를 보면, PM2.5 농도의 변화와 유사한 패턴 을 보이며 6월 7일 0900 LST부터 1300 LST까지 80 ㎍ /m3 이상의 고농도를 보였고, 6월 8일 1200 LST부터 2200 LST까지 역시 80 ㎍/m3 이상의 고농도가 나타났 다. PM2.5/PM10 농도비를 보면, 고농도 사례일 하루 전부 터 0.7이상의 값을 보였고, 특히 6월 6일 2200 LST부터 6월 7일 0700 LST까지는 0.8이상의 상당히 높은 값을 보였다. 사례 둘째 날인 6월 8일 1000 LST부터 1600 LST까지 일시적으로 0.7이하의 값을 보였으나 이후 고 농도 PM2.5가 유지되는 시각까지 높은 비를 나타내었다. 따라서 부산지역 여름철 고농도 PM2.5 발생 시에는 PM2.5/PM10 농도비가 0.7이상의 높은 값을 나타내었다.

    부산지방기상청 일기상통계표에 의하면, 사례일 전날 인 6월 6일 오후에 박무와 연무가 발생하여 2100 LST와 2400 LST에 시정이 각각 3.4 km와 2.7 km로 매우 나빴 다. 사례일 첫날인 6월 7일은 하루종일 박무현상이 발생 하였고, 일시적으로 오전에 연무현상이 있었으며, 시정 은 10 km 이하로 매우 나빴으며, 구름이 없는 매우 맑은 날씨를 보였다. 사례 둘째날인 6월 8일은 연무현상이 0900 LST부터 자정까지 발생하였으며, 시정은 6월 7일 보다는 좋은 편이었으며, 구름은 권운이 하루 종일 4/10 정도로 발생하였다. 사례일 다음날인 6월 9일은 연무와 박무현상이 사라지고 시정도 회복되었으며, 권적운이 5/10 정도 발생하였다.

    Fig. 2는 본 연구 사례기간 전·후 하루를 포함한 6월 6 일부터 6월 9일까지 4일간 부산지방기상청(46 m)과 구 덕산레이더관측소(513 m)에서 측정된 기상요소의 일변 화를 나타낸 것이다. 사례일 전날인 6월 6일 1000 LST 경에 최고기온(26.0℃)이 나타났고, 이 시각 이후부터 북 서풍이 남풍으로 바뀌고 있다. 다시 말하면 육풍에서 해 풍으로 전환되면서 기온이 하강한 것이다. 사례일 첫날 인 6월 7일 새벽은 서풍이 불었고 최고기온이 나타난 0900 LST경(25.5 ℃) 이후로는 남풍계열로 바뀌었고 풍 속도 2 ㎧ 정도에서 최대 8 ㎧(1210 LST)까지 증가되었 고 오후에 5 ㎧ 내외의 해풍이 계속 불었다. 사례일 둘째 날인 6월 8일은 6월 7일과 같이 새벽에는 육풍인 북서풍 이 불다가 1000 LST경부터 해풍인 남서풍이 3∼4 ㎧ 정 도로 2000 LST까지 유입되었다. 이 시간 이후부터 사례 일 다음날인 6월 9일 하루 종일 계속해서 북동풍이 4 ㎧ 정도로 불었다. 따라서 본 사례일인 6월 8일과 9일의 새 벽은 육풍인 서풍내지 북서풍이 나타났고 주간은 해풍인 남서풍이 발생한 경우로서 해륙풍 순환이 존재하였다. 구덕산 레이더 관측소의 자료와 비교하면 사례일 첫날과 둘째날에 부산지방관측소와 같이 새벽과 오전에 육풍인 북서풍, 주간에는 해풍인 남서풍과 남동풍이 발생하였으 나, 풍속을 비교하면 고산지대인 구덕산레이더관측소는 육풍은 7∼8 ㎧로 강하였고 해풍은 2 ㎧정도 약했다는 것 을 알 수 있다. 그리고 6월 7일 0956 LST부터 1238 LST까지 고산지역인 구덕산레이더관측소의 기온이 지 상인 부산지방기상청의 기온보다 높은 역전층이 발생하 였다. 이는 기층이 매우 안정하였다는 증거라고 할 수 있 다. 심지어 1059 LST에는 기온차가 3.1℃까지 나타날 정도로 강한 역전층이 발생하였다.

    Fig. 3은 본 사례인 2018년 6월 7일과 6월 8일 0900 LST의 지상일기도를 나타낸 것이다. 6월 7일의 경우, 백 령도 인근에 1015 hPa의 고기압이 위치하며, 일기도상 에 보이지 않지만 오호츠크해상에서 발달한 고기압이 우 리나라 상공에 영향을 미치고 있다. 부산지역은 전형적 으로 장마가 시작되기 전 한랭습윤한 오호츠크기단의 영 향으로 일교차가 크고 안정한 공기괴의 영향하에 있다고 볼 수 있다. 6월 8일은 전날의 고기압 세력이 다소 약화 된 상태에서 동해상에 1006 hPa의 저기압이 존재하지만 그 세력은 약하며, 부산지역은 서해상의 고기압의 연변 에서 공기괴가 안정한 상태에 있다고 볼 수 있으며, 이에 따라 구름이 없는 맑은 날씨로서 내륙과 해양의 밀도차 에 의해 해륙풍이 발생하여 공기가 정체하는 가운데 연 무와 박무가 발생하였다고 할 수 있다. 따라서 이 사례는 대기정체로 인한 오염물질의 축적과 고온 및 광화학반응 에 의해 2차 생성먼지로 PM2.5농도가 증가된 것으로 판 단된다(Park and Yu, 2018). 고농도 사례일 전날인 6월 6일 1500 LST 부곡동의 O3 농도가 0.124 ppm으로 부 산 중부권에서 오존주의보가 발령되었고 1700 LST에 해제되었다. 그리고 6월 7일 PM2.5 농도가 최대를 보인 시간대인 1500 LST의 부산지역 21개소 평균 O3 농도는 0.111 ppm으로 일평균 기준치를 초과하는 농도를 보여, 본 사례의 고농도 미세먼지는 광화학반응에 의한 2차 생 성먼지와 매우 관련이 높은 것으로 판단된다(Ueno et al., 2011).

    Fig. 4는 부산지역에서 고농도 미세먼지가 발생한 2018년 6월 7일 0900 LST의 Backward trajectory와 단열선도(skew T and log P chart)를 나타낸 것이다. 먼 저 후방 궤적선을 보면, 48시간 동안 공기괴는 우리나라 남부지방의 지상부근을 통과하여 온 것을 알 수 있고, 이 동속도는 매우 느렸다. 특히 1000 m 공기괴는 영남지방 에서 48시간 동안 머물러 대기가 매우 정체된 상태인 것 을 알 수 있다. 따라서 본 사례의 고농도는 장거리 수송이 아닌 국지적인 영향으로 판단할 수 있다. 그리고 같은 시 각의 단열선도를 보면, 지표에서 330 m(950 hPa)까지 21.1℃로서 지표 역전층이 발생해 있는 것을 알 수 있으 며, 바람은 200 m까지 해풍계열인 남서풍이 유입되고 있는데, 이는 Fig. 2의 구덕산레이더관측소의 기온과 바 람 자료에서 확인되고 있다. 또한 역전층은 지표의 공기 를 상승하는 것과 확산하는 것을 방해하여 입자상물질과 전구물질을 집적하는 역할을 한다(Ji et al., 2012).

    본 사례의 경우, 부산지방은 기상학적으로 북태평양 고기압의 지속적인 영향으로 고온다습하고 안정된 대기 환경에서 전반적으로 풍속이 약하고 주간의 해풍과 야간 의 육풍인 국지순환이 반복적으로 발생하였다. 따라서 오염물질이 빠져 나가지 못하는 폐쇄순환이 발생하면서 대기가 정체되고 미세먼지 농도가 상승하였다. 또한 남 해안 부근에서 기류가 다소 정체되면서 전남 산단지역의 오염물질이 본 연구지역에 영향을 미치는 조건이 형성될 수 있었다(Yoshikado, 2018). 그리고 고기압권에서 강 한 일사조건하에서 국지적으로 배출된 대기오염물질 (SO2, VOCS) 등의 활발한 광화학반응으로 2차 생성 먼 지가 기여한 것으로 판단된다. 따라서 연중 미세먼지 농 도가 가장 낮은 여름철에도 대기정체·광화학반응·배출조 건이 동시에 형성되면 고농도 미세먼지 발생이 가능하고 지속될 수 있다는 것을 보여주고 있다(KMOE, 2018).

    3.3.2. 2018년 7월 19일 20일 사례

    본 사례는 2018년 7월 19일과 7월 20일 이틀 연속으 로 부산지역 21개 지점 일평균 PM2.5 농도가 50 ㎍/m3를 초과하였다. Fig. 5는 본 연구 사례기간 전·후 하루를 포 함한 7월 18일부터 7월 21일까지 4일간의 PM10, PM2.5 그리고 PM2.5/PM10 비를 나타낸 것이다. 먼저, PM2.5 농 도를 보면, 사례일 하루 전인 7월 18일 새벽부터 1600 LST(52.2 ㎍/m3)까지 지속적으로 증가하였고 1900 LST에 38.1 ㎍/m3까지 농도가 하락하였다. 본 연구 사 례 첫째 날인 7월 19일은 1500 LST(71.4 ㎍/m3)까지 전 날과 같은 양상으로 상승과 하강을 보였다. 사례 둘째 날 인 7월 20일 1200 LST까지 55 ㎍/m3 이상의 고농도가 나타났으며, 그 이후 2400 LST까지 50 ㎍/m3에 가까운 높은 농도가 지속되었다. 사례 다음날인 7월 21일 0100 LST 이후 농도는 급격하게 하강하였다. 고농도 첫째 날 인 7월 19일의 부산지역 PM2.5 일평균농도는 58.7 ㎍/m3 이었고 둘째 날인 7월 20일은 53.8 ㎍/m3이었다. 특히 낮 시간대에 가파른 PM2.5 농도 증가가 나타났다.

    PM10 농도의 변화는 PM2.5와 거의 유사한 변화 경향 을 보여주었다. 사례 첫째 날의 최대농도는 1600 LST에 92.3 ㎍/m3이었고 둘째 날은 1600 LST에 90.1 ㎍/m3이 었다. PM2.5/PM10 비는 사례 전날인 0200 LST부터 사 례 다음날 0300 LST까지 0.7이상의 높은 값을 나타내었 다. 특히 7월 19일 2000 LST부터 7월 20일 0700 LST 까지는 0.8 이상의 매우 높은 값을 나타내었다. 부산지방 기상청 일기상통계표에 의하면, 사례일 전날인 7월 18일 1000 LST부터 연무현상이 하루 종일 발생하였으며, 구 름하나 없는 맑은 날(운량 0/10)이었다. 사례 첫날인 7월 19일은 0600 LST까지는 박무가 발생하였으며, 그 이후 부터는 자정까지 연무현상이 유지되었고 시정은 10 km 이하로 나빴으나 구름이 없는 쾌청한 날씨를 보였다. 사 례 둘째 날인 7월 20일은 새벽부터 2000 LST까지 연무 현상이 지속되었고 구름하나 없는 맑은 날이었다. 사례 다음날인 7월 21일의 오전에 약한 연무가 있었으나 이후 사라졌다.

    Fig. 6은 본 연구 사례기간 전·후 하루를 포함한 2018 년 7월 18일부터 7월 21일까지 4일간 부산지방기상청 (46 m)과 구덕산레이더관측소(513 m)에서 측정된 기상 요소의 일변화를 나타낸 것이다. 먼저 지상의 부산지방 기상청자료를 보면, 사례일 전날인 7월 18일의 기온과 풍향 그리고 풍속을 보면, 최고기온이 발생한 1100 LST(32.3℃)이후로 서북서풍에서 남남서풍으로 풍향이 바뀌었고 2 ㎧전후에서 5 ㎧로 풍속이 증가된 것으로 보 아 해륙풍이 발생한 것을 알 수 있다. 사례일 첫날인 7월 19일은 0900 LST부터 1400 LST까지 32℃ 정도의 고 온이 발생하였고, 0900 LST경부터 풍향이 서북서풍에 서 남남서풍으로 전환되었고 풍속도 서서히 증가한 것을 알 수 있다. 이날 야간과 다음날 7월 20일 새벽까지 해풍 인 서남서풍이 약하지만 지속되었고 일시적으로 0500∼ 0600 LST경에 정온상태(calm)이었고 이후 해풍인 남남 서풍이 1800 LST경까지 유입되었으며, 연무와 박무현 상이 발생하였다. 이날은 전날보다도 기온이 높은 33.7℃ 까지 오르는 등 열대야가 발생되었고 폭염주의보가 발령 되었다. 고산지역인 구덕산레이더관측소의 자료를 보면, 사례일 첫날과 둘째날에 주간에 해풍, 야간에 육풍이 뚜 렷하게 발생하였고, 육풍이 해풍보다 강하는 것을 알 수 있다. 그리고 7월 20일 0440 LST부터 0715 LST까지 고산지역인 구덕산레이더관측소의 기온이 지상인 부산 지방기상청의 기온보다 높은 역전층이 발생하였다. 이는 기층이 매우 안정하였다는 증거라고 할 수 있다. 심지어 0620 LST에는 기온차가 2.3℃까지 나타날 정도로 강한 역전층이 발생하였다.

    Fig. 7은 본 사례인 2018년 7월 19일과 7월 20일 0900 LST의 지상일기도를 나타낸 것이다. 7월 19일 경 우, 우리나라는 북태평양에서 발달한 고온습윤한 고기압 이 우리나라 남부지방에 정체한 상태로 머무르고 있는 양상을 보이고 있다. 일본 먼 남쪽 해상에는 제10호 AMPIL이 접근하면서 뜨겁고 습한 공기를 우리나라로 밀어 올려 무더위로 인한 불쾌지수가 상승하고 습도 증 가에 의한 열대야 발생 지역이 확대 강화되었다. 그러나 Fig. 7에서 보듯이 아직 부산지방은 태풍의 영향을 받지 않고 있으며, 이 고기압의 영향으로 사례기간 중 폭염주 의보 발령과 열대야가 발생되었다. 7월 20일에도 전날과 거의 유사한 기압패턴을 보여주고 있으며, 다만, 일본 남 부지방에 위치한 제10호 태풍이 우리나라로 더 접근해 온 것을 알 수 있다.

    Fig. 8은 부산지역에서 고농도 미세먼지가 발생한 2018년 7월 19일 0900 LST의 Backward trajectory와 단열선도(skew T and log P chart)를 나타낸 것이다. 먼 저, Backward trajectory를 보면, 7월 19일 0900 LST에 도달한 공기괴의 48시간의 공기괴는 아주 빠른 시간에 동지나해와 일본 서쪽 해상 그리고 우리나라 남해상을 지나 온 것을 알 수 있다. 따라서 본 사례 기간의 부산지 방의 공기괴는 겨울과 봄철의 서쪽에서 장거리 이동해 온 것이 아닌 남쪽에서 이동해 것을 알 수 있다. 고온다습 한 공기가 지속적으로 우리나라로 유입되어 습도가 높아 짐에 따라 박무현상이 발생하였고, 미세먼지 등의 오염 물질 유입으로 연무현상이 연속적으로 발생하였다. 특히 남풍계열이 유입되나 남해안부근에서 기류가 다소 정체 됨에 따라 전남 산단 지역(목표, 야수, 광양 등) 오염물질이 부산으로 영향을 미쳤다는 분석도 있다(KMOE, 2018). 그리고 단열선도를 보면, 지상에서 550 m(950 hPa) 까 지 0.35℃/100 m의 기온 하강율을 나타내어 매우 안정 한 공기층이 존재하고, 지상부근의 풍속은 약하고 풍향 은 다소 가변적이나 상층으로 갈수록 남서풍 내지 남동 풍이 강하게 불고 있는 것을 알 수 있다.

    본 사례의 경우, 부산지방은 기상학적으로 북태평양 고기압의 지속적인 영향으로 고온다습하고 안정된 대기 환경에서 전반적으로 풍속이 약하고 주간의 해풍과 야간 의 육풍인 국지순환이 반복적으로 발생하였다. 따라서 오염물질이 빠져 나가지 못하는 폐쇄순환이 발생하면서 대기가 정체되고 미세먼지 농도가 상승하였다. 또한 남 해안 부근에서 기류가 다소 정체되면서 전남 산단지역의 오염물질이 본 연구지역에 영향을 미치는 조건이 형성될 수 있었다. 그리고 고기압권에서 강한 일사조건하에서 국지적으로 배출된 대기오염물질(SO2, VOCS) 등의 활 발한 광화학반응으로 2차 생성 먼지가 기여한 것으로 판 단된다. 따라서 연중 미세먼지 농도가 가장 낮은 여름철 에도 대기정체·광화학반응·배출조건이 동시에 형성되면 고농도 미세먼지 발생이 가능하고 지속될 수 있다는 것 을 보여주고 있다(KMOE, 2018;Park and Yu, 2018).

    고농도 사례 발생 하루 전인 7월 18일 청룡동의 O3 농 도가 0.125 ppm으로 중부권역에서 오존주의보가 발령 되었고 1시간 후에 해제되었다. 사례일 첫날인 7월 19일 에도 1100 LST에 동부권역(기장 0.126 ppm)과 남부권 역(좌동 0.122 pmm)에서 오존주의보가 발령되었고, 오 후들어 중부권역(명장동 0.130 ppm)에서 1200 LST부 터 6시간 동안 오존주의보가 발령되었으며, 남부권역(좌 동 0.124 ppm, 대연동 0.122 ppm)은 1400 LST에 발령 되어 2000 LST에 해제되었다. 사례일 둘째날인 7월 20 일 1300과 1400 LST의 부산 지역 21개소 평균 O3 농도 가 0.08 ppm를 초과하는 농도를 보였다. 이런 오존 고농 도는 수일간 지속된 고온 및 대기 정체의 영향으로 오전 부터 광화학반응에 의한 오존이 빠른 속도로 증가하였고, 이에 2차 생성된 먼지가 PM2.5 농도를 상승시켰다고 판 단된다.

    4. 요약 및 결론

    부산 지역에서 여름철에 발생한 연무현상과 고농도 미세먼지 사이에 어떤 연관성을 가지고 있는지를 기상자 료를 이용해 체계적으로 분석한 결과, 다음과 같은 결론 을 얻었다.

    • 1) 부산지역에서 최근 4년간(2015년∼2018년) 일평 균 대기환경기준을 초과한 발생일수는 PM10은 총 24일 이었고, PM2.5는 총 58일이었다. 그중에 여름철의 초과 일수는 PM10이 한 차례도 없었으나, PM2.5는 11일이나 되었다.

    • 2) 부산지역에서 최근 4년간(2015년∼2018년) 계절 별 연무발생일을 보면, 겨울철이 37.6%, 봄철이 27.4%, 가을철이 18.6% 그리고 여름철이 16.4%로서 황사와는 전혀 다른 발생비율 특성을 보였다.

    • 3) 부산지역에서 최근 4년간(2015년∼2018년) 일평 균 PM10 농도가 대기환경기준 100 ㎍/m3를 초과하는 일 수를 기상현상별로 보면, 황사발생일이 전체 24일 중 9일(38%)이었고, 황사와 결부된 연무와 박무를 포함하 면 16일(67%)이었다. 일평균 PM2.5 농도가 대기환경기 준치인 50 ㎍/m3를 초과하는 일수를 기상현상별로 보면, 연무만 발생한 경우가 25일(43%)로 가장 높았으며, 연 무현상을 동반한 박무, 비, 안개, 황사, 눈 현상을 포함하 면 49일로 전체 58일의 84%를 차지하였다.

    • 4) 부산지역에서 여름철 PM2.5농도가 2일 연속 대기 환경기준치인 50 ㎍/m3를 초과한 2018년 6월 7일∼8일 사례를 보면, 사례일 전날인 6월 6일 오후부터 박무와 연 무가 발생하여 시정이 매우 나빴으며, 사례일인 6월 7일 과 8일에도 하루종일 박무와 연무가 발생하였다. 또한 6 월 8일과 9일의 새벽에 육풍인 서풍내지 북서풍이 나타 났고 주간에는 해풍인 남서풍이 발생하여 해륙풍 순환이 존재하였으며, 지상일기도를 보면, 고기압이 우리나라 상공으로 이동하여 영향을 미치고 있었다. 후방 궤적선 을 보면, 48시간 동안 공기괴는 우리나라 남부지방의 지 표부근을 통과하여 온 것을 알 수 있고, 이동속도가 매우 느려 대기가 매우 정체되었으며, 본 사례의 고농도는 장 거리 수송이 아닌 국지적인 영향으로 판단할 수 있었다.

    • 5) 2018년 7월 19일∼20일 사례를 보면, 7월 18일 오 전부터 연무현상이 하루 종일 발생하였고 맑은 날이었으 며, 7월 19일과 7월 20일은 박무와 연무가 발생하였고 시정은 나빴으며, 구름이 없는 쾌청한 날씨이었다. 사례 일의 주간에는 남서풍계열의 해풍이 불었고 특히 낮 최 고기온이 32℃ 이상을 나타내어 폭염주위보가 발령되었고 열대야 현상이 나타나는 등 고온현상이 발생하였다. 북 태평양에서 발달한 고온다습한 고기압이 우리나라 남부 지방에 정체한 상태로 머무르고 있는 양상을 보였고, 48 시간의 공기괴는 아주 빠른 시간에 동지나해와 일본 서 쪽 해상 그리고 우리나라 남해상을 지나왔으며, 지상에 서 550 m 까지 매우 안정한 공기층이 존재하였다.

    • 6) 이러한 여름철 고농도 미세먼지농도에 대한 기상 학적인 체계적 평가는 향후 부산지역 미세먼지의 효율적 인 관리와 개선방안 제시에 통찰력을 제공할 수 있을 것 으로 기대되며, 추후 초미세먼지 중의 성분 분석(이온성 문, 탄소성분)을 통해 더욱 더 미세한 분석이 요구된다.

    Figure

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    Diurnal variation of PM10, PM2.5, and PM2.5/PM10 ratio from June 6 to June 9, 2018 in Busan.

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    Diurnal variation of meteorological parameters from June 6 to June 9, 2018 in Busan Meteorological Adminstration (upper, 46 m) and Guducsan radar observatory (below, 518 m).

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    Synoptic chart at 0900 LST, 7∼8 June, 2018.

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    Backward trajectory(left) and skew T and log P chart(right) at Busan (36°02’N 129°02’E) at 00Z, June 7, 2018.

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    Diurnal variation of PM10, PM2.5, and PM2.5/PM10 ratio from July 18 to July 21, 2018 in Busan.

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    Diurnal variation of meteorological parameters from July 18 to July 21, 2018 in Busan Meteorological Adminstration(upper, 46 m) and Guducsan radar observatory(below, 518 m).

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    Synoptic chart in July 19∼20 0900 LST, 2018.

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    Backward trajectory(left) and skew T and log P chart(right) at Busan(36°02’N 129°02’E) at 00Z, July 19, 2018.

    Table

    Occurrence day of haze observed in Busan from 2015 to 2018(4 years)

    Seasonal occurrence frequency(%) of Asian dust and haze observed in Busan from 2015 to 2018

    Number of exceedances per year of the daily value for 100 ㎍/m3 of PM10 according to atmospheric phenomenon in Busan for 4 years(2015∼2018)

    Number of exceedances per year of the daily value for 100 ㎍/m3 of PM2.5 according to atmospheric phenomenon in Busan for 4 years(2015∼2018)

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