에어로졸의 직접 효과가 남한 지역의 기상과 대기질에 미치는 영향

유정우 부산대학교 대학원 2020 국내박사

본 연구에서는 WRF-CMAQ 결합 모델을 이용하여 에어로졸의 직접 효과가 한반도 남한 지역의 기상 및 대기질에 미치는 영향을 알아보았다. 에어로졸의 직접 효과를 고려한 실험(w/ 실험)과 고려하지 않은 실험(w/o 실험)을 수행하였으며, 두 실험 간의 복사량 차이(DRE, Direct Radiative Effects)를 중심으로 분석하였다. 에어로졸의 직접 효과에 의해 한반도 남한 지역에서 지표 복사량, 기온, PBL 고도가 감소하는 것으로 나타났으며, 이로 인해 지상 PM2.5 농도가 증가하여 대기질을 악화시키는 것으로 나타났다. 에어로졸의 직접 효과를 지역별로 살펴본 결과, 상대적으로 PM2.5 농도가 낮았던지역에서 오히려 에어로졸 효과에 의한 복사량 감소가 크게 나타나 지역별로 에어로졸 효과의 차이를 확인하였다. 에어로졸의 효과를 정량화하여 지역별로 효율적으로 비교하기 위해 본 연구에서는 지상 PM_(2.5) 농도와 에어로졸의 직접 효과에 의해 감소하는 복사량(DRE)을 이용하여 지표(E_(PM_(2.5)))를 산출하고 HR5(High Rank 5) 지역과 LR5(Low Rank 5) 지역으로 분류하여 비교하였다. HR5 지역에서는 상대적으로 PM_(2.5) 농도가 낮음에도 불구하고 E_(PM_(2.5))가 높게 나타났으며, LR5 지역에서는 고농도 PM_(2.5)가 나타났지만 상대적으로 낮은 E_(PM_(2.5))가 나타났다. 인구가 밀집한 대도시 지역들인 LR5 지역에서는 NO₃- 비율이 높게 나타난 반면 뚜렷한 고배출원이 분포하지 않는 HR5 지역에서는 SO₄^(2-)와 OC의 비율 높게 나타나 두 그룹 간의 PM_(2.5) 구성 성분 비율 및 연직 분포가 다른 것으로 나타났다. HR5 지역은 국지 배출원이 아닌 풍상측에서 배출되어 장거리 수송된 대기오염물질의 영향을 많이 받기 때문에 PM_(2.5)와 SO₄^(2-)와 OC가 고도 1 km 부근에서 최고 농도가 나타났다. 결과적으로 국외에서 장거리 수송된 SO₄^(2-)와 OC의 수평 및 연직 분포 특성으로 인해 HR5 지역에서 상대적으로 지상 PM_(2.5) 농도가 낮음에도 불구하고 다른 지역에 비해 에어로졸의 직접 효과에 의해 감소하는 복사량이 더 크게 나타났다. 그러나 위도(latitude)나 천정각(zenith angle), 토지이용도(land-use)와 같은 다른 요인이나 지역별 복사량의 절대적인 차이로 인해 에어로졸의 효과가 다르게 나타날 수 있다. 따라서 향후 업데이트된 배출량 자료를 이용하여 장기간 수치모의가 필요할 것이다. 본 연구에서는 선행 연구의 AOD를 이용한 에어로졸 효과의 효율(E_r) 산출 방식의 활용 문제점을 확인하고 이를 대체하기 위해 지상 PM_(2.5) 농도를 이용하였다. 지상 농도라는 한계점은 존재하지만 선행 연구에서 제시한 방법론과의 비교를 통해 E_(PM_(2.5))의 활용 가능성을 확인하였으며, 지역별 에어로졸의 효과를 효율적으로 분석하는 데 유용할 것으로 사료된다. To examine the direct radiative effect (DRE) of aerosols on meteorology and air quality in South Korea, we conducted simulations incorporating the WRF-CMAQ two-way coupled model for February 2015. Two different experiments were conducted with and without the direct effect of aerosols and the differences between two experiments were analyzed accordingly. The reductions in radiation, air temperature and planetary boundary layer (PBL) heights due to aerosol direct effects increase concentrations of PM_(2.5) and its components at surface. This study defined the efficiency(E_(PM_(2.5))) as the DRE divided by the PM_(2.5) concentrations, which can evaluate the quantity of the DRE in different regions. The results showed that high E_(PM_(2.5)) with low PM_(2.5) concentrations in HR5 (High Rank 5) sites and low E_(PM_(2.5)) with high PM_(2.5) concentrations in LR5 (Low Rank 5)sites. In HR5 sites located in southwestern regions of the Korean peninsula, relatively high concentrations of sulfate and organic carbon (OC) were present at high altitude compared to that in LR5 sites. It indicates that the sites were possibly affected by the long-range transport of air pollutants from upwind regions, therefore, concentrations of PM2.5, sulfate and OC showed peaks at an altitude of 1 km. Consequently, the regional difference of the DRE efficiency also can be attributed to not only surface concentration but also the vertical distribution of air pollutants. This study addressed that PM_(2.5) concentrations can be useful for explaining the efficiency of aerosol direct effects. However, we are also noting that other factors (e.g. latitude, zenith angles, land-use) could affect the efficiency of aerosol direct effects. Therefore, future studies need to be conducted for long-term using updated emissions.

에어로졸 입경분포가 강우중 대기오염 물질 제거에 미치는 영향

金淳泰 아주대학교 2002 국내박사

다른 대기오염 현상과는 달리 산성우는 영향 범위가 비교적 광범위하고 강우 pH에 대한 오염원-수용원 관계를 명확하게 설명하기 어렵다. 현재까지 산성우에 대한 많은 연구가 수행되어 왔으나 아직까지 규명해야 할 부분들이 많이 남아 있다. 특히, 초기 강우 산도에 중요한 역할을 하는 에어로졸 영향을 분석한 기존 연구는 매우 제한적이다. 본 연구는 강우시 측정실험과 함께 산성우 현상에 대한 물리화학적 특성을 보다 자세히 밝히기 위해 모델을 개발하고 모사를 통해 이를 설명하고자 하였다. 모델은 일차원적인 below-cloud scavenging을 대상으로 SO_2, HNO_3, NH_3, CO_2 가스의 물질전달식에 의한 가역적 흡수와 액상에서의 이온화 및 평형, H_2O_2와 O_3에 의한 S(IV)의 산화, 그리고 종말속도 차에 의한 액적의 에어로졸 흡착 및 액상내 이온화 물질 농도 변화 등을 고려하였으며, 강우 강도에 따른 액적의 크기 분포와 액적-액적 충돌에 의한 수 농도 및 액상 농도 변화 등도 고려되었다. 모사결과를 살펴보면 초기조건에 따라 오염물질별로 강우에 의한 제거 효율에 차이를 보였으며, 액적 pH 역시 변화를 보였다. 가스상 오염물질의 경우 낙하거리가 증가함에 따라 흡수량이 증가하여 액적내 이온 농도가 높아졌으며, 액적 크기가 감소할수록 물질전달계수 ㎏, 표면적 부피비 β가 증가하고 종말속도 u_irk 감소함에 따라 고농도를 보였다. 강우강도가 커질수록 오염물질의 제거율은 증가하였다. 구름지역에서 오염물질 흡수로 인해 강우의 pH가 낮아진 경우 산성 가스물질의 제거율은 낮아지는 반면, 중화물질인 NH_3의 흡수율은 상승하였다. 에어로졸은 초기 30분 내에 대부분 제거되었으며, 수용성 성분에 따라 액상 농도가 변화하였다. 특히, 작은 액적일수록 제거효율이 높아 에어로졸에 의한 영향이 크게 증가하였다. 다른 이온농도와는 달리 NH_4^+의 경우 작은 액적에서 에어로졸 세정에 의한 농도 증가가 낮게 나타났으며, 이는 대기중 NH_3 농도와 평형에 의해 흡수된 NH_4^+ 농도 중 일부가 강우초기에 대기중으로 방출되기 때문이다. 강우강도 10 mm/hr시 직경 3 ㎛ 이상 입자의 반감기 t_1/2은 1시간 정도로 짧게 나타났다. 민감도 분석결과, Ca^2+와 같은 에어로졸 양이온은 SO_2 제거율에 영향을 미치며 초기 강우의 pH를 상승시키는 역할을 하였다. SO_2의 반감기 t_1/2는 모사 조건에 따라 40∼500분 사이에서 변화하였다. 2시간 모사결과, 초기 SO_2 농도 중 5∼30%가 강우에 의해 제거되었으며, 20∼65%는 S(VI)로 산화되었으며, 20∼60%는 대기중에 잔류하는 것으로 나타났다. 측정 실험 결과, 초기 강우 pH는 기준 pH 5.6 보다 높게 나타났으며, 강우 시간이 경과함에 따라 pH 5.0 이하로 낮아졌다. 특히, 초기 강우의 이온 성분 중 Na^+, Ca^2+, Cl^- 농도가 높고, 강우 후기에는 매우 낮아져 초기 강우시 에어로졸 영향이 높은 것으로 나타났다. 결론적으로 대기중 에어로졸과 가스상 오염물질 농도를 고려한 모델을 이용하여 측정치와 유사한 강우중 이온 농도 및 pH 변화를 예측하였다. 가스상 오염물질에 국한된 모사와 단일 입경의 액적과 에어로졸 분포로는 실제에 가까운 모델 모사가 제한적이며, 측정실험과 모사결과를 미뤄볼 때 산성우 모사시 가스상 오염물질 뿐만 아니라 에어로졸에 대한 영향도 반드시 고려되어야 한다. 향후 본 논문에서 모사한 입경 분포별 에어로졸 및 가스상 오염물질 제거특성 결과를 바탕으로 매개변수화 기법을 개발하여 광역 대기오염 모델에 적용하는 것이 바람직할 것으로 사료된다. Unlike other air pollution phenomena, 'acid rain' has larger spatial influences and it is difficult to elucidate the source-receptor relationship. In the study of acid rain, many efforts have been devoted to better understanding of the physical and chemical mechanisms that affect the rain acidity, but much of them are still veiled. Especially, little work has been done on raindrop size distribution coupled with aerosols affecting on surface raindrop pH. Along with the field measurements, a one dimensional time-dependent acid rain model has been developed to explain physiochemical characteristics of acid rain in this work. The model simulates the below-cloud scavenging of gases and aerosol from the atmosphere and includes: ·Reversible absorption of gaseous species such as SO_2, HNO_3, NH_3, and CO_2 with different mass transfer rates for different size of raindrops. ·Dissociation reactions of absorbed chemical species balancing the equilibrium relationships among cations and anions. ·Oxidation reactions among S(IV) and absorbed oxidants such as H_2O_2, and O_3. · Dynamic behavior of aerosols and raindrops. ·Dissolution of soluble part of captured aerosols. ·This module can be used in other meteorological or air pollutants dispersion models. Simulation results showed that each air pollutant showed different scavenging rates after 2 hours of rain event, and raindrop pH varied according to initial conditions. The longer the fall distances, the higher the ion concentrations. Smaller raindrops showed higher ion concentrations by absorbing gases with higher mass-transfer coefficients and surface area-to- volume ratios and longer residence time with lower terminal velocities. High rain intensities increased scavenging rates. When raindrops were pre-acidified, scavenging rates for acidic gases decreased, whereas absorbing rate for NH_3, a base, increased. Most aerosols were scavenged within 30 min and affected on raindrop ion concentrations. Smaller raindrops had larger influences on aerosol scavenging due to higher collision efficiencies. The half-life period t_1/2 for aerosols larger than 3 ㎛ were shorter than 1 hour. Sensitivity analysis showed that cations such as Ca^2+ have influence on SO_2 scavenging rates and increased raindrop pH during initial rain events. Half-life period for SO_2 varied in the range of 40∼500 min for different initial conditions. Secondary sulfate production rates for small raindrops were 4 times higher than primary sulfate production rates, while production rates were almost same for droplets larger than 3 mm. Among the initial ambient SO_2, 5∼30% was scavenged by raindrops in the from of S(IV), 20∼65% was oxidized into S(VI), and 20∼60% was remained in the atmosphere after 2 hours of simulations. Field measurements also showed that raindrop pH during initial rain events were higher than 5.6 and slowly decreased to about 5.0 after 1∼2 hours of raining. Especially, ion concentrations such as Na^+, Ca^2+, and Cl^- were higher due to captured aerosols during the initial rain events. In conclusion, it was difficult to simulate ion concentrations in rainwater without soluble portion of aerosols and with mono-dispersed aerosol and hydrometeor. Therefore, scavenging characteristics of aerosols as well as gas-phase air pollutants considering size distributions of aerosol and hydrometeors should be included in the prediction of rainwater ion concentrations. It is expected to apply those results on regional scale models using parameterization.

서울의 대기오염 장기변화와 '98년 봄철 에어로졸 사례 분석

조영순 연세대학교 산업대학원 2000 국내석사

서울은 인구, 자동차, 산업시설 등이 밀집한 세계적인 규모의 대도시로서 자체 오염원이 많을 뿐만 아니라 오염원에서 배출되고 있는 에어로졸에 함유된 화학성분도 매우 다양하리라 생각된다. 또한, 배출된 오염물질은 직·간접으로 인체에 영향을 미치므로 장기적인 관점에서 서울의 대기오염이 어떻게 변동하고 있는지를 파악하는 것은 매우 의미 있는 일이다. 또한 우리나라에서 관측되는 자연발생적인 봄철의 황사발생은 중국으로부터 에어로졸이 장거리 수송되는 것을 시각적으로 잘 나타내 주는 것으로서 먼지와 함께 각종 유해물질이 수송될 수 있기 때문에 에어로졸에 대한 연구는 매우 중요하다고 볼 수 있다. 특히, 기상학적인 측면에서 오염물질이 장거리 수송됨을 연구하는 것은 필수적이다. 본 연구에서는 서울의 대기오염과 이와 관련되는 시정의 장기적 변화경향을 조사하기 위하여 1989년부터 1998년까지 환경부의 자료를 이용하여 장기변화 경향을 분석하였다. 그 결과 TSP, SO_2, CO는 최근으로 올수록 감소하는 것으로 나타난 반면에 NO_2의 경우는 과거나 현재나 변화가 거의 없었다. 그러나 O_3의 경우는 최근으로 올수록 오히려 증가하는 것으로 나타났다. 한편 대기오염을 가시적으로 나타내 주는 시정을 동일기간 동안 기상청의 관측자료를 이용하여 장기변화를 고찰하였고 이를 스모그현상의 지속시간과 함께 비교 고찰하였다. 그 결과 시정은 '93년까지는 낮은 값을 보이다가 최근으로 올수록 점차 좋아지는 것으로 나타났다. 그리고 스모그 지속시간은 전반('89∼'93년)에 길다가 후반('94∼98년)에 짧아지는 것으로 나타나 스모그 지속시간과 시정이 상호 관련성이 있음을 보여주었다. 서울의 봄철 에어로졸의 특성을 알아보기 위하여 황사현상이 심하였던 1998년의 기상청/ 기상연구소의 에어로졸 관측자료를 이용하여 일별, 주간별 등의 특성을 조사 분석하였다. 그 결과 일 중 에어로졸 수 농도의 시간별 변화는 8시경에 최대 값을 나타내었고 16시경에 최소 값을 보였으며, 주간변화에 있어서는 수요일과 금요일에 최대치를 나타내었다. 그리고 강수전과 강수후의 먼지개수의 변화는 강수 전보다 강수 후에 아주 작은 입자를 제외한 0.50∼25 μm 의 경우 25.8 %의 세정 효과가 있는 것으로 분석되었다. 또한 황사 시에는 먼지입자의 수량이 최고 219 % 증가하였는데 2.23∼6.06 μm 범위의 입자가 가장 많이 증가하는 것으로 나타났다. 또한 황사의 이동경로와 특성을 사례분석을 통하여 알아본 결과 황사는 3,000 m이상 고도의 풍향풍속에 따라 이동하는데 기상장의 영향을 받아 우리 나라 부근의 기압배치에 크게 영향을 받는 것으로 나타났다. Seoul is a worldwide metropolis where many people, cars and industry institutions are grouped densely and has various chemical constitution contained in the aerosol from the pollution source as well as much pollution source in itself. Pollution material affects human bodies directly and indirectly. And therefore, it is very meaningful to understand the variation of air pollution of Seoul in the long term. Besides, the natural occurrence of yellow sand in Spring shows visually long way translation of aerosol from China and many poisonous materials can be translated with dust and therefore, the study of aerosol is very important. Especially, the investigation of long way translation of pollution material is essential in meteorology. In this study, in order to investigate long term variation of air pollution of Seoul and relevant visibility, long term tendency was analyzed using the data from 1989 to 1998 from the ministry of environment. According to the result of this study, TSP, SO_2 and CO have reduced every year, NO_2 has not changed much, and O_3 has increased every year. The long term variation of visibility which can represent air pollution of a certain area visibly was also investigated using the data during the same period from the Korea Meteorological Administration and compared to the smog duration time. The result shows that the visibility was low until '93 and got better after that time until recently. And the smog duration time is the long in the former period('89-'93) and has shortened in latter period('94-'98). This can be explained by the fact that smog phenomenon and the visibility affect directly each other. In order to investigate the characteristics of aerosol of Seoul in Spring, the characteristics per day and week of observed data in spring 1998 when the yellow sand was appeared severely was analyzed. The result shows that the density of aerosol number per day is maximum at 08:00 and minimum at 16:00 and weekly variation shows maximum at Wednesday and Friday. The change of dust number before the rainfall and after rainfall was analyzed and the result shows that after rainfall, the dust of 0.50∼25 ㎛ except very tiny particles have been washed out to the amount of 25.8%. Finally, the moving path and characteristics of the yellow sand were investigated two example analyses show that the yellow sand drifts according to the velocity of wind whose latitude is about 3,000m above sea level and it appears according to the characteristics of meteorological field. It is affected from the arrangement of atmospheric pressure in the vicinity of Korea also.

Quantifying the Absorption Efficiency of Organic Aerosol by Observations and Assessing its Climatic Effects

추정은 부산대학교 대학원 2016 국내박사

빛을 흡수하는 에어로졸은 지구복사를 산란시켜 지표면을 냉각시키는 효과뿐만이 아니라 빛을 흡수하여 대기를 가열시킴으로써 전 지구 복사에너지 수지 및 지역 기후에 큰 영향을 미친다. 이 중, 유기 에어로졸에 의한 빛 흡수가 무시할 수 없을 만큼 상당부분 이루어지고 있다는 연구 보고가 있었음에도 불구하고 유기 에어로졸에 의한 빛 흡수는 대부분의 기후 모형에서 무시되어 왔다. 유기 에어로졸에 의한 빛 흡수에 관한 연구는 근원 물질의 다양성, 대기 중에서의 이차적 반응에 대한 이해 부족, 주로 사용되는 방법인 필터 측정 방법에서의 오차 등의 이유로 많은 어려움이 따른다. 이에 미 항공우주국(NASA)에서 개발되어 장기간 그리고 쉽게 접근 가능하면서도 정확도 높은 에어로졸 및 복사 특성 자료를 제공하는 지상에서의 원격 탐사 장비인 에어로넷 (AERONET, http://aeronet.gsfc.nasa.gov)을 활용한 연구가 매우 필요할 것으로 예상되나, 개별 에어로졸에 의한 영향을 분리하기 힘들기 때문에 유기 에어로졸에 의한 빛 흡수연구에 충분히 활용되지 못하였다. 이에 본 연구에서는 유기 에어로졸에 의한 빛흡수성을 에어로넷 관측자료를 주로 이용하여 산란 알베도 (Single scattering albedo)로 산정하는 경험적 알고리즘을 개발하고, 또한 유기 에에러솔 빛 흡수가 전 지구 및 지역 기후에 미치는 영향에 대하여 살펴보았다. 본 연구에서 개발된 알고리즘은 관측된 미립자 에어로졸에 의한 광학 두께 (fine-mode aerosol optical depth, fAOD)에 기여하는 검색 탄소, 유기 에어로졸, 황 및 질소 산화물 에어로졸 (sulfate+nitrate), 미세 흙먼지 (fine-mode dust), 미세 해염입자 (fine-mode sea-salt)에서, 검색 탄소와 유기 에어로졸의 기여도를 흡수 에어로졸 광학 두께 (absorption aerosol optical depth, AAOD)에서 분리시키고 흙먼지와 해염입자를 시뮬레이션 된 앙상블 평균값을 이용함으로써, 황 및 질소 산화물 에어로졸에 의한 광학 두께를 유기 에어로졸의 산란 알베도의 함수로 표현하는 식이다. 이때 본 연구에서 산출한 최적의 유기 에어로졸 산란 알베도 값은 0.91이며 불확실성을 고려한 범위는 0.82-0.93으로써, 이는 대부분의 기후 모형들이 0.96-1.0 값을 사용하고 있는 것과 비교하여 유기 에어로졸에 의한 빛 흡수가 상당부분 흡수되어 왔음을 의미한다. 본 연구에서 유도된 유기 에어로졸 산란 알베도 값을 이용한 대기 모형 실험을 통하여, 유기 에어로졸에 의한 전 지구 복사 강제력은 대기 꼭대기에서 +0.09 (+0.06 to +0.12) Wm-2로써, 이는 대기에서의 가열 +0.21 (+0.15 to +0.37) Wm-2, 그리고 지표면에서 냉각 -0.12 (-0.25 to -0.09) Wm-2 의 합으로 구성됨을 보였다. 지역적으로는, 봄철의 유기 에어로졸에 의한 빛 흡수가 아시아 지역에서 인도 여름 몬순의 시기를 앞당기고 여름철 비단열 가열에 의해 인도 및 티벳 고원 전역에서 강한 양의 온도 아노말리를 최대 섭씨 2도까지 유도함을 보였다. 아마존 지역에서도 아시아 지역과 유사하게 안데스 산맥의 지형효과로 건기 동안 월별로 가열-습윤-가열의 특징을 가지며, 아프리카 지역에서는 하층 및 중층의 구름과의 상호작용에 의해 에어로졸의 효과가 육지 지역에서 상쇄됨을 보였다. 본 연구를 통해서 에어로졸에 의한 복사 강제력이 현재 받아들여지는 것보다 양의 방향으로 치우쳐 질 수 있음을 보였으며, 또한 지역적인 대기 순환장의 변화를 유도시킴으로써 근원 및 인근 지역 기후에 크게 영향을 미칠 수 있음을 보였다.

바이오에어로졸 측정과 이를 활용한 나노 천연물질 항균 필터 연구

허기준 건국대학교 대학원 2015 국내석사

바이오에어로졸로 인한 전염병이나 테러는 바이오에어로졸에 대한 사회적 관심을 증가시키는 계기가 되었고, 이는 바이오에어로졸의 측정과 통제의 중요성을 부각시켰다. 이러한 흐름에 발맞춰 서울시의 지하철 역사와 특별한 기상 이벤트인 장마철의 바이오에어로졸의 농도에 대한 측정실험을 실시하였다. 이를 통해, 대기 중의 바이오에어로졸의 농도가 높으며, 바이오에어로졸 제어기술의 필요성을 확인하였다. 이러한 필요성에 발맞춰 요즘 떠오르고 있는 천연물질을 이용한 항균필터를 연구하였다. 에어로졸의 열 건조 분무 기술을 이용하여, 천연물질을 나노사이즈의 에어로졸로 필터에 도포하였다. 천연물질이 도포된 항균필터의 차압, 필터 효율, 항균테스트를 실시하였다. 이 결과가 바이오에어로졸의 측정과 제어에 대한 기초자료로서 도움이 될 것이라고 생각된다. Concentrations of total culturable bacteria and fungal bioaerosols in underground subway systems were measured in March, April, and May. Concentrations of airborne bacteria and fungi were observed at different locations in a subway station. The experimental results provide useful and basic guidelines for analyzing and developing methods for controlling airborne microorganisms in underground subway stations. Also, we measured the concentration of airborne biological particles before, after, and during rain in a monsoon season. The measurement data of the concentration of fungal particles and bacterial particles show quantitatively that the bioaerosol concentrations during the rain event are several times higher than the concentration of the bioaerosols in the condition of no rain. Controlling bioaerosols has become more important with increasing participation in indoor activities. Treatments using natural product nanomaterials are promising technique because of their relatively low toxicity compared to inorganic nanomaterials such as silver nanoparticles or carbon nanotubes. In this study, antimicrobial filters were fabricated from a natural Euscaphis japonica nanoparticles which were produced by nebulizing E. japonica extract. The coated filters were assessed in terms of pressure drop, antimicrobial activity, filtration efficiency, major chemical components, and cytotoxicity. Pressure drop and antimicrobial activity increased as a function of nanoparticle deposition time (590, 855, and 1150 µg/cm2filter at 3-, 6-, and 9-min depositions, respectively).

조화평균 근사를 사용한 에어로졸 질량 소산효율 모수화

장성현 부산대학교 대학원 2021 국내석사

Among many parameters characterizing atmospheric aerosols, mass extinction efficiency (MEE) is important to understand the optical properties of aerosols. The MEE is represented as a function of refractive index (i.e., composition) and size distribution of aerosol particles. It is often considered that the MEE of aerosol is independent of size and only depends on chemical composition of aerosol particles. The widely used Malm`s reconstruction equation and revised methods express extinction coefficient as a function of aerosol mass concentration and the MEE. However, the assumed constant MEE does not consider the effect of size distribution of polydispersed chemical composition. Thus, a method that consider the effect of MEE according to size distribution is required for accurate and conventional calculation of aerosol extinction coefficient and other optical properties. In this study, the simple parameterization of MEE of polydispersed aerosol particles was developed. An aerosol size distribution is expressed using the various aerosol particles (i.e., ammonium sulfate, ammonium nitrate, elemental carbon, sea salt) that the geometric volume-mean diameters with log-normal size distribution and various geometric standard deviations are up to 10 μm. The flexible and convenient parameterization of MEE is developed by using harmonic mean approximation to represent separate small and large-mode particles. This method can be used to process in-situ observation and large scale numerical model. The MEE and simple forcing efficiency, calculated using the method developed in this study, show high correlation and accuracy compared to the results calculated using the Mie theory. 대기 중 에어로졸을 특징짓는 많은 모수들 중, 에어로졸의 광학적 특성을 이해하기 위해선 질량 소산효율(mass extinction efficiency; MEE)은 중요한 모수이다. MEE는 에어로졸 입자의 굴절률(즉, 구성물)과 크기 분포의 함수로 표현된다. 일반적으로 에어로졸 MEE는 에어로졸 입자의 화학성분에만 의존하고 크기에 대해서는 독립적인 상수로 간주한다. 널리 쓰이는 Malm의 reconstruction 방법과 차후 수정된 방법들은 에어로졸 질량 농도와 MEE의 함수로 소산계수를 표현한다. 하지만 가정한 일정한 MEE는 다분산 화학성분(polydispersed chemical composition)의 에어로졸의 크기 분포 효과를 고려하지 않는다. 따라서 에어로졸의 소산계수와 다른 광학적 특성의 정확한 계산을 위해서 크기 분포에 따른 MEE의 영향을 고려한 방법이 필요하다. 본 연구에서는 다분산 에어로졸 입자의 MEE의 간단한 모수화를 개발하였다. 로그 정규 크기 분포(lognormal size distribution)와 다양한 기하 표준편차(geometric standard deviation)를 갖는 기하 부피평균 직경(geometric volume-mean diameter)의 10 μm 까지 크기를 갖는 에어로졸 입자(즉, 황산암모늄, 질산암모늄, 원소 탄소, 해염)를 사용하여 에어로졸 크기 분포를 표현하였다. 조화 평균 근사를 사용하여 별개의 소형 모드와 대형 모드 입자의 표현을 나타냄으로써 유연하고 편리한 MEE의 모수화를 개발하였다. 이는 실제 관측 자료를 쉽게 처리하는데 사용될 수 있으며 대규모 수치 모델에도 사용 가능한 모수화 방법이다. 본 연구에서 개발한 방법을 사용하여 계산한 MEE와 단순 강제효율은 미(Mie) 이론을 사용하여 계산한 결과와 비교시 높은 상관관계와 정확도를 보인다.

Improved retrieval of aerosol optical properties from geostationary environment monitoring spectrometer : aerosol model improvement and synergistic use of broadband meteorological imager

고수정 Graduate School, Yonsei University 2020 국내박사

The Geostationary Environmental Monitoring Spectrometer (GEMS) onboard Geostationary Korea Multi-Purpose Satellite 2B (GEO-KOMPSAT-2B) satellite is the first geostationary hyperspectral ultraviolet (UV) and visible (Vis) instrument which will be launched in February, 2020 in order to monitor air quality over Asia in high temporal and spatial resolution. This study presents the improvement of aerosol optical properties (AOPs) retrieval algorithm for GEMS. The AOPs retrieved from the aerosol algorithm include aerosol optical depth (AOD), single scattering albedo (SSA), and aerosol loading height (ALH). Passive low Earth orbit (LEO) hyperspectral UV-Vis instrument Ozone Monitoring Instrument (OMI) is used as a proxy of GEMS. Above all, the previous version of GEMS aerosol algorithm was improved by more sophisticated consideration of spectral variations of aerosol’s radiative absorption in UV, non-sphericity, and dust detection. Spectral variations of column aerosol absorption between the UV-Vis channels were analyzed from the combined co-located measurements from Aerosol Robotic Network (AERONET) Cimel sun–sky photometer, the UltraViolet Multifilter Rotating Shadowband Radiometer (UV-MFRSR), the SKYNET Prede skyradiometer, and Pandora sun spectrometer. The column-averaged imaginary part of refractive index and SSA in the UV-Vis range have been measured at Yonsei University, Seoul, Korea, since 2016. The study investigated the spectral variation of column averaged imaginary part of refractive index for UV-Vis wavelengths to refine aerosol models used in the retrieval algorithm to produce remote sensing products from the upcoming GEMS. The retrieved imaginary part of refractive index for highly absorbing fine pollution particles (BC), dust (DS), and non-absorbing (NA) particles in the selected UV-Vis range (380-440 nm) showed 0~20%, 30%, and 0~40% of spectral dependence, respectively. Retrievals using OMI Level 1B data using the new aerosol model showed improved correlation with AERONET data, compared to the old algorithm which did not properly account for aerosol absorption effects in UV. These results corroborate the advantage of using local climatology derived from 1-year ground-based UV–Vis spectral aerosol absorption measurements for satellite GEMS aerosol retrievals over East Asia. Moreover, this study reveals that the spectral variations in the UV of column aerosol absorption in East Asia differs from that in other regions. For dust (DS) model, scattering properties of spheroid models were applied in the retrieval algorithm using Dubovik database package which is a large set of look up table (LUT) that takes advantage of T-matrix and Geometrics optics. Aspect ratio distribution for East Asia based on in-situ measurement data were adopted for simulating spheroid models. After applying dust non-sphericity, the data point fraction within the expected error range of OMI (30% or 0.1) for DS model increased from 36.5% to 44%. Moreover, bias of AOD decreased especially for scattering angle range between 100° and 180°. This result is important as the scattering angle of GEMS is expected to be between 100° and 180°. For SSA, it showed about 1% improvement after applying spheroid models. In addition, aerosol retrieval algorithm was improved with the synergistic use of broadband meteorological imager. First, synergistic use of cloud masking from meteorological imager infrared (IR) channel was tested. High spatial resolution and IR channels of meteorological imager help mask cirrus and sub-pixel cloud contaminations for GEMS aerosol retrieval results. Second, Total Dust Confidence Index (TDCI) was developed for IR channels of meteorological imager to separate dust aerosols and then applied to improve GEMS aerosol type classification algorithm. Statistical analysis showed that the GEMS aerosol algorithm accuracy for dust is improved from 72% to 94% by using TDCI for aerosol type selection. Third, corrected aerosol types were applied to GEMS algorithm. After applying TDCI for dust type detection of GEMS aerosol algorithm, the retrieved results of SSA were improved especially for BC and DS aerosols as well. These improved results are consistent with the GEMS aerosol algorithm sensitivity tests due to aerosol type misclassification. Finally, AOD products from GEMS and meteorological imager were combined using the maximum likelihood estimate (MLE) method using weights derived from the root mean square error (RMSE) of the original AOD products. With the advantage of allowing retrieving aerosol over bright surfaces from the UV-Vis channel, the combined AOD products showed increasing spatial coverage compared to any of the original products. At the same time, the accuracy was comparable to any of the original AOD products. Pixel-level error estimation of GEMS AOD before and after synergistic use of meteorological imager was also investigated. 본 연구에서는 자외-가시광 영역의 초분광기(hyperspectral spectrometer)를 이용한 에어로졸 광학특성 산출 알고리즘 개선이 연구되었다. 기존 자외-가시광 영역에서의 에어로졸 광학특성 산출은 파장의 변화에 따른 에어로졸의 흡수 정보에 대한 선행 정보가 부족하여, 위성에서 정확한 에어로졸을 산출하는 것이 제한적이었다. 본 연구에서는 이를 극복하기 위하여, UV-MFRSR, SKYNET, AERONET 지상장비를 이용하여 1년 동안 측정한 에어로졸 굴절지수의 허수부분(aerosol refractive imaginary index)를 에어로졸 유형별로 분석하였다. 분석 결과, 380-440 nm 파장 영역에서 흡수성 미세입자(BC) 에어로졸 유형은 0~20%, 황사(DS) 유형은 30%, 황산염(sulfate) 등의 비흡수성 미세입자(NA)는 0~40%의 파장의존도를 보였다. 이를 에어로졸 산출 알고리즘의 조견표(Look Up Table) 구현 시 적용 결과, 산출된 에어로졸은 정확도가 향상되는 결과를 보였다. 이러한 결과는 전지구의 에어로졸 광학특성은 지역마다 다른 특성을 가지며, 자외선 영역의 에어로졸 광학특성은 가시광 영역에서의 에어로졸 광학특성과 차이가 있음을 보여준다. 또한, 본 연구에서는, 저궤도 기상위성탑재체(MODIS)를 활용하여 저궤도 환경위성탑재체(OMI) 에어로졸 알고리즘의 유형 분류 및 산출 알고리즘을 개선하기 위한 연구가 진행되었다. 저지구궤도 위성 관측 L1B 자료를 시험 자료로 사용하였다. 먼저, 기상위성을 이용하여 환경위성 에어로졸 알고리즘의 구름 제거 과정을 개선하고자 하였다. 둘째, 기상위성으로부터 계산된 TDCI (Total Dust Confidence Index)를 이용하여 황사 입자의 에어로졸 유형 분류를 개선하고자 하였다. 통계 분석 결과 TDCI를 사용시, 환경위성 에어로졸 알고리즘의 황사 구분 정확도가 72 %에서 94 %로 변경되었다. 셋째, TDCI를 이용하여 구분된 유형을 환경위성 에어로졸 알고리즘에 적용하여, 에어로졸 광학두께(Aerosol Optical Depth, AOD)와 단일산란알베도(Single Scattering Albedo, SSA)를 산출하였다. TDCI를 에어로졸 유형구분 개선 과정에 적용할 경우, 특히 단일산란알베도가 개선되는 효과를 보였다. 마지막으로, 환경위성과 기상위성에서 산출된 에어로졸 광학두께를 MLE (Maximum Likelihood Estimation) 방법을 이용하여 융합장을 생성하였다. 그 결과 공간적으로 더 넓은 영역의 산출자료를 제공하고, 정확도는 융합 전 과 비교할만한 결과를 보였다. 융합 전후에 대하여 픽셀 단위의 에러를 분석한 결과, 융합 후 bias 및 에러가 유의미하게 감소하는 결과를 보였다. 본 연구에서 개발된 자외-가시광 영역의 초분광기를 활용한 에어로졸 광학 특성 산출 자료는 기계학습을 이용하여 지상 PM (Particulate Matter) 농도를 추정하는 연구에 입력자료로 활용한 결과, 정지궤도 해양위성(GOCI)만을 사용하여 지상 PM 농도를 추정하였을 때 보다 PM2.5의 rRMSE (relative RMSE)를 5%정도 향상시키는 결과를 보였다. 본 연구에서 제시된 에어로졸 광학 특성 산출 알고리즘은 2020년 2월 발사예정인 정지궤도 환경위성탑재체 GEMS (Geostationary Environmental Monitoring Spectromete)에 적용될 예정이며, 본 연구를 통하여 정지궤도 기상위성탑재체 AMI (Advanced Meteorological Imager) 와의 융합가능성 및 PM2.5의 예보 정확도 향상의 가능성을 확인할 수 있었다.

Evaluation of Aerosol·Cloud Interactions on Autoconversion and Accretion during KORUS-AQ campaign

박신영 부산대학교 대학원 2019 국내박사

Autoconversion (Au) and accretion (Ac) have been recognized to be the main two factors in determining the complicated aerosol effects on cloud–precipitation process through their interaction mechanism. However, numerical estimates of these aerosol–cloud interactions remain highly uncertain and are poorly understood due to the lack of measurements of specific aerosol–cloud variables. While there have been only few monitoring studies to clarify the aerosol–cloud parameterizations and/or explore their uncertainties, the KORUS-AQ campaign has been launched, and provided the opportunity to estimate the influence of aerosol on cloud–precipitation interactions based on comprehensive and detailed observations (i.e., aircraft, ground sites, and satellites). In this study, we diagnosed, based on such observations, the precipitation susceptibility (So) which expressed as a function of liquid water path (LWP) from the estimation by CLAVR-x satellite data during KORUS-AQ campaign period over Northeast Asia, and modeling studies are performed to enhance our understanding on the mesoscale aerosol–cloud–precipitation processes. As a first step, the aerosol-related parameters measured from DC-8 aircraft data were examined to compare with the results from CLAVR-x satellite data and explored the uncertainties between them. The results showed the cloud droplet number concentration (Nd) used in CLAVR-x satellite data was well corresponding the cloud condensation nuclei (CCN) and condensation nuclei (CN) at lower altitude, but autoconversion and accretion rate in model were not well reproduced in comparison with observation. Therefore, as a next step, WRF-Chem model was employed, and various sensitivity studies on Au and Ac parameterizations were carried out to compare the modeling results against observations. The results of modeling-observation intercomparison study showed that modeling with default parameterization (BASE) were compared with the CLAVR-x products, while several discrepancies between model and observation were sometimes found, which includes the contribution of microphysical process rates according to LWP, Nd versus precipitation rate (R) relation particularly at low LWP condition, and the ratio of accretion to autoconversion (Ac/Au ratio). In the final step, we further carried out various sensitivity tests to reduce these discrepancies, particularly focusing on improving the relationship between Nd and R according to LWP and the Ac/Au ratio through the repeated amendment-and-adjustment process based on both observation and modeling results. The differences of Nd between WRF and WRF-Chem were both examined, and simulated aerosol chemical compositions were evaluated against AMS measurements obtained from DC-8 aircraft, and the activation process was also assessed through sensitivity test of bulk hygroscopicity updated by observation data. Our repeated amendment-and-adjustment approach suggested five categories from the classification of Au and Ac over Northeast Asia: 1) different accretion rate with autoconverted liquid water, 2) scaled autoconversion rate, 3) susceptibility fitting factor of power law, 4) subgrid variability, and 5) other parameterizations. In each of the 5 categories, So expressed as function of LWP, relationship between Nd and R, and change of the Ac/Au ratio were investigated, and the parameterization candidates matching individual analysis criteria were optimally organized, respectively. Our results showed that the variation of Au and Ac depending on LWP value has been improved and overestimated So was corrected from the modified contribution of autoconversion and accretion rate. In addition, bulk hygroscopicity methods formulated by combining specific hygroscopicity estimation from direct observation were thus reasonably predicted aerosol concentrations, suggesting the higher possibilities of model performance on both cloud and aerosol chemical species over Northeast Asia. We also pointed out the limitations on the Au and Ac parameterization and highlighted the overestimation of Au related to the initial formation of precipitation at low LWP, as well as the underestimation of Ac in association with the precipitation intensity. Further research, therefore, will need to understand what further processes are associated with the role of aerosol through aerosol–cloud–precipitation physics over Northeast Asia. 자동변환(autoconversion, Au) 과정과 결착(accretion, Ac) 과정은 대기 중 에어로졸에 의해 구름 및 강수에 복잡하게 영향을 미치는 에어로졸-구름 상호작용에 중요한 역할을 한다. 그러나 이러한 상호작용에 대한 추정은 큰 불확실성을 가지고 있고, 구체적인 에어로졸-구름 변수에 대한 관측자료의 부족으로 잘 파악되지 않았다. 에어로졸-구름 모수화를 명확하게 하고 그들에 대한 불확실성을 조사하는 관측 연구는 거의 없었던 반면에, KORUS-AQ(Korea-United States Air Quality) 캠페인은 정교하고 상세한 관측자료(예, 항공 관측, 지상 관측, 위성 관측 등)를 기반으로 구름 및 강수에 대한 에어로졸 상호작용의 영향을 추정할 기회를 마련하였다. 본 연구는 KORUS-AQ 캠페인 기간을 대상으로 동북아시아 영역에 대해 CLAVR-x 위성 관측자료를 활용하여 액체 수 경로(liquid water path, LWP)에 따른 강수 민감도(precipitation susceptibility, So)의 변화를 확인하고, 중규모(mesoscale)의 에어로졸-구름-강수 과정에 대한 이해를 높이기 위한 모델링 연구를 실시하였다. 먼저, DC-8 항공기로부터 관측된 에어로졸 관련 변수들을 CLAVR-x 위성 관측자료와 비교하고 그 불확실성을 조사하여, 위성 관측의 구름 방울 수 농도(cloud droplet number concentration, Nd)와 항공 관측된 구름 응결핵(cloud condensation nuclei, CCN) 및 에어로졸(condensation nuclei, CN) 수 농도가 상대적으로 낮은 고도에서 서로 상응함을 확인하였다. 그리고 선행연구의 관측자료와 모델의 Au 및 Ac 결과를 비교하여 모델의 Au 및 Ac 모수화 모의능력이 낮게 나타남을 확인하였다. 이에 따라, WRF-Chem(Weather Research and Forecasting model with Chemistry) 모델을 사용하여 관측과 모델 결과를 비교 분석하기 위한 Au 및 Ac 모수화 과정에 대한 다양한 민감도 분석을 수행하였다. 모델과 관측의 상호비교 결과, 기존 모수화 방안을 사용한 모델 결과(BASE)는 LWP 구간 별 미세물리과정에 대한 Au 및 Ac의 기여, 낮은 LWP에서의 Nd와 강수율(precipitation rate, R)의 관계, Au에 대한 Ac의 비율(Ac/Au ratio) 등의 항목에서 CLAVR-x 위성 관측자료와의 여러 가지 차이점이 조사되었다. 마지막으로 본 연구는 이러한 차이점을 줄이기 위해 관측과 모델 결과를 근거로 하여 수정 및 보완을 반복하여 민감도 분석을 수행하였고, 특히 LWP에 따른 Nd와 R의 관계, Ac/Au ratio의 개선에 집중하였다. 또한 WRF와 WRF-Chem의 Nd 차이를 조사하고, 모의된 에어로졸 구성 성분을 DC-8 항공기에서 관측된 AMS 자료와 비교하여 검증하였으며 관측 자료로 업데이트된 흡습도(hygroscopicity, κ) 계산 과정의 민감도 분석을 통해 활성화 과정이 평가되었다. 본 연구의 Au 및 Ac 과정에 대한 수정 및 보완 방법은 5가지 카테고리로 분류되었다: 1) 자동변환된 구름 물 변수를 사용한 수정된 Ac 방안, 2) 규모가 조정된 Au 방안, 3) 멱함수(power law)의 민감도 적합 지수(fitting factor) 방안, 4) 아격자 변동성 방안, 4) 다른 모수화 방안. 5가지 카테고리의 각 실험에 대해 LWP 구간 별 So의 형태, Nd와 R의 관계, Ac/Au ratio가 조사되었고, 각 개별적인 분석 기준에 부합하는 모수화 방안 후보들을 제시하였다. 본 연구의 수정 및 보완된 Au 및 Ac 모수화 방안에 의해, LWP 구간에 따른 Au와 Ac의 변동성이 개선되고, 과대추정된 So가 변화된 Au 및 Ac의 기여율에 의해 수정되었다. 또한 관측 자료로부터 추정된 개별적인 κ를 결합하여 수정한 κ 계산 방법의 결과는 구름 및 에어로졸 성분에 대한 모델 수행능력의 향상 가능성을 나타냈다. 본 연구 결과는 에어로졸과 구름 사이의 비선형적인 관계를 모델에서 구현함에 있어 미세물리 과정 중 Au와 Ac에 대한 모수화의 한계를 지적하고, LWP 구간에 따라 다르게 작용하여 나타난 So의 과대 추정, 강수 형성의 시작과 관련된 Au의 과대추정, 강수 강도(precipitation intensity)와 관련된 Ac의 과소추정을 강조하였다. 따라서 향후 연구는 동북아시아를 대상으로 에어로졸-구름-강수 상호작용의 역할과 관련된 추가적인 과정을 이해하는 노력이 필요할 것이다.

장거리이동 연무의 분류방법 및 광학특성 분석

이규민 강릉원주대학교 일반대학원 2015 국내석사

에어로졸은 구름방울의 응결핵 역할을 하면서 구름과 강수와의 상호작용 메커니즘을 통해서 기상 및 기후에 미치는 영향이 크다. 그러나 에어로졸은 크기가 다양하고, 짧은 생애주기(life time)로 인해 에어로졸이 기상이나 기후에 미치는 영향은 아직 불확실성이 크다. 본 연구에서는 백령도와 서울에 위치한 대기오염집중측정소의 TEOM (Tapered Element Oscillating Microbalance)을 이용한 에어로졸 질량농도와 Nephelometer와 Aethalometer로 관측되는 에어로졸 산란·흡수계수 자료를 이용하고, AERONET (Aerosol robotic network)의 Sunphotometer로 관측된 연직 에어로졸 광학두께를 통해 에어로졸 발원지에 따른 연무 분류법을 제시하였다. 또한 각 분류된 사례에 대해 시계열 및 광학특성을 분석하였다. 장거리이동성 연무와 황사는 서울보다 상대적으로 서쪽에 위치한 백령도에서 먼저 PM 농도가 증가하고 이후 서울에서 농도가 증가하여 풍상측으로부터 에어로졸이 유입된 것을 확인할 수 있었지만, 도시연무사례의 경우 백령도에서는 PM농도가 사례분류 기준에 미치지 못하지만 서울은 뚜렷한 농도 증가로 인해 수도권 지역에서 발생된 연무사례의 특징이 잘 나타나고 있는 것을 확인하였다. 장거리이동성 연무와 도시연무는 Sunphotometer로 관측된 에어로졸 광학두께와 지상관측자료를 이용하여 계산된 광학두께의 상관계수가 각각 0.87, 0.82로 두 변수간의 상관성이 높지만, 황사는 거의 상관도가 나타나지 않았다. 각 사례의 기울기도 장거리이동성 연무와 도시연무에서 0.9와 0.8로 나타나 연무의 경우 지상에서 관측한 값이 연직 에어로졸 부하량을 충분히 대변한다고 할 수 있다. 산란계수와 옹스트롬 지수의 상관분석 결과, 장거리이동성 연무의 경우 대부분의 사례에서 이 1보다 큰 값을 나타내고 있지만 도시연무는 대체로 1의 값을 나타냈다. 이는 도시연무에 비해 장거리이동성 연무의 입자크기가 더 작다는 것을 의미한다. 황사의 경우 의 변화폭이 커 입자크기의 변동성이 크다는 것을 알 수 있었다. 그러나 세 사례 모두 과 의 뚜렷한 상관성은 발견하지 못했다. 현재까지 사례분석 기간이 짧고 사례의 개수가 적어 광학특성을 정량적인 기준으로 평가하기 어려운 점이 있기 때문에 향후 분석된 결과를 기반으로 추가 사례를 선별하여 정량적인 분류가 필요하고 SSA (Single Scattering Albedo)등의 광학특성에 대한 추가적인 분석이 필요하다.

Retrieval of aerosol optical properties from GOCI : algorithm improvement, analysis and application to PM

Choi, Myung-je Graduate School, Yonsei University 2017 국내박사

The Geostationary Ocean Color Imager (GOCI) onboard the Communication, Ocean, and Meteorological Satellite (COMS) is the first multi-channel ocean color imager in geostationary orbit, thus hourly GOCI top-of-atmosphere radiance has been available for the retrieval of aerosol optical properties over East Asia since March 2011. This study presents the improvement of aerosol optical properties (AOPs) retrieval algorithm using the visible and near-Infrared channels of GOCI, named as the GOCI Yonsei Aerosol Retrieval (YAER) algorithm. The AOPs retrieved from the GOCI YAER Version 1 (V1) algorithm are aerosol optical depth (AOD), fine-mode fraction (FMF), single scattering albedo (SSA), Ångström Exponent (AE), and aerosol type. The aerosol models were created based on a global analysis of the Aerosol Robotic Networks (AERONET) inversion data, and covered broad range of size distribution and absorptivity including nonspherical properties. The surface reflectance was constructed differently for ocean and land: The Cox-Munk ocean bidirectional reflectance distribution function (BRDF) model was used over ocean, and improved minimum reflectance technique was used over land. Also, pixels of turbid water were detected using spectral characteristics over which aerosol properties were also retrieved. The aerosol products were evaluated against AERONET observations and MODIS Collection 6 aerosol products during the DRAGON-NE Asia 2012 campaign. Comparison of AOD from GOCI and AERONET results in a Pearson correlation coefficient of 0.885 and a linear regression equation with GOCI AOD = 1.086 × AERONET AOD – 0.041, which is comparable with MODIS DT/DB AOD. The GOCI YAER AE, FMF, and SSA show lower correlation than AOD, but still shows some skills for qualitative use. The second version of GOCI YAER algorithm (version 2, or V2) includes the improvement of cloud masking, surface reflectance determination, the channel selection for better accuracy and near-real-time (NRT) processing. Several cloud masking methods found in recent studies were added to minimize cloud contamination in the aerosol products, and the surface reflectance climatology was improved using multi-year samples to increase the possibility of finding clear pixels. The GOCI YAER V2 products were evaluated together using AERONET, Sun-Sky Radiometer Observation Network (SONET), and MODIS during March 2011 to February 2016. The ratio within MODIS expected error of GOCI YAER V2 land AOD increased from 49% to 60%, and the counterpart of ocean AOD also increased from 62% to 71% compared to the V1. Various errors were analyzed and the diagnostic and prognostic pixel level uncertainties were calculated. High AOD area and period were analyzed as 6-km high spatial resolution in climatological scale. Also, the relation of diurnal variation between GOCI AOD and particulate matter (PM) was analyzed as aspect of air quality. With the improved products, the surface PM10 and PM2.5 concentrations were estimated statistically from the GOCI AOPs and meteorological data. The estimated PM2.5 shows high correlation of 0.84 with measured PM2.5. The enhancement of GOCI YAER algorithm enables the accurate monitoring of transboundary and local aerosols in NRT. It also enables the accurate air-quality forecasting through the data assimilation with chemical transport models in short time. 천리안 통신해양기상위성(COMS)에 탑재된 정지궤도 해색 탑재체인 GOCI는 정제궤도에서 관측하는 전 세계 첫 번째 다중 채널 해색 탑재체로, 2011년 3월부터 낮 동안 매시간 관측된 동아시아 영역의 GOCI 대기상한 복사휘도로부터 에어로졸 광학 특성 산출이 가능하다. 본 연구에서는 GOCI의 가시광과 근적외선 원격 관측을 활용하여 에어로졸 광학깊이(AOD), 미세모드율(FMF), 단일산란알베도(SSA), 옹스트롬지수(AE), 유형(Type)과 같은 에어로졸 광학특성 산출 알고리즘의 성능을 개선했다. 에어로졸 모델은 전세계 에어로졸 원격 관측 네트워크인 AERONET에서 관측된 자료로부터 넓은 영역의 입자분포도와 흡수성, 비구형성을 고려했다. 지면반사도는 지면의 종류에 따라 다르게 구성했다. 해양에서는 양방향 반사도 분포 함수를 가정하고, 육상에서는 개선된 최소반사도 방법을 적용했다. 채널 별 특성을 활용하여 탁수를 구분하고, 그 위 에어로졸도 산출했다. 2012년 DRAGON 동북아시아 캠페인동안 지상 AERONET 관측과 위성 MODIS 자료와의 비교를 통해 산출된 에어로졸 광학 특성 정확도를 검증하였다. AERONET과 GOCI에서 각각 산출된 AOD는 0.885의 선형 상관 계수와 GOCI AOD = 1.086 × AERONET AOD – 0.041 선형 회귀식을 나타냈으며 이는 MODIS 산출 결과와 유사한 수준으로 나타났다. AE, FMF, SSA는 지상 AERONET 과 다소 낮은 상관관계를 보였으나, 정성적인 활용이 가능하였다. 앞선 연구를 바탕으로 개선된 GOCI 연세 에어로졸 산출 버전 2알고리즘에서는 구름 제거, 지표면 반사도 설정, 지면 종류에 따른 채널 선택 방법들이 향상되었다. 여러 최근 연구를 반영하여 에어로졸 픽셀에서 구름에 대한 오염을 완화하였으며, 더 깨끗한 픽셀을 찾기 위해 다년도 관측 자료를 활용하여 정확도 높은 지표면 반사도를 산정하였다. 기존 산출 자료와 개선된 산출 자료를 2011년 3월부터 2016년 2월까지 장기간 AERONET/SONET 지상 원격 관측 자료 및 MODIS 위성 자료와 비교검증을 수행한 결과, 육상 AOD는 오차 범위 내 비율이 49%에서 60%로, 해양 AOD는 62%에서 71%로 개선된 알고리즘에서 모두 증가하였다. 여러 요소에 따른 오차를 분석하였고, 픽셀 별 AOD 진단/예단 오차를 산정했다. 기후적인 관점에서의 높은 AOD를 보이는 지역과 시기에 대해 높은 공간 해상도로 분석하였다. 또한 GOCI AOD와 지상 미세먼지 농도의 일변화 관계를 대기질 측면에서 분석하였다. 향상된 GOCI 에어로졸 광학특성과 기상 자료를 활용하여 지상 미세먼지를 통계적으로 추정한 결과, 지상자료와의 선형상관계수는 0.85로 높은 상관도를 보였다. 향상된 GOCI 연세 에어로졸 산출 알고리즘을 활용하여 월경성 및 국지적 에어로졸을 준 실시간으로 정확하게 감시할 수 있으며, 화학 수송 모형과의 짧은 시간 내 다중 자료동화를 통해 고품질의 대기질 예보가 가능하다.