봄 · 여름철 대기 중 미세먼지와 빗물 수질 상관성 분석 = Analysis of Correlation between Particulate Matter in the Atmosphere and Rainwater Quality During Spring and Summer of 2020

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 부산지역의 봄철과 여름철 대기 중 미세먼지(particulate matter, PM) 농도 및 빗물 수질을 정량화하고 다변량 통계분석을 이용하여 계절(봄, 여름) 특성에 따른 대기 중 PM 농도가 빗물 수질에 미치는 영향을 평가하였다. 연구기간(2020년 3월-8월)동안 기상청 AWS (automatic weather system)에서 측정된 대기 중 PM 농도와 총 68번의 강우 특성 자료를 이용하였으며, 총 68번의 강우 이벤트 중 13회 강우를 대상으로 부산 부경대학교 캠퍼스에 집수장치를 설치하여 총 216개의 빗물 샘플을 수집하였다. 빗물의 pH와 전기전도도(electrical conductivity, EC)는 실시간 측정되었으며, 빗물 내 양이온(Na⁺, Mg²⁺, K⁺, Ca²⁺, and NH⁴⁺) 및 음이온(Cl^-, NO^3-, and SO₄^2-) 농도를 분석하였다. 또한, 자체 제작한 미세먼지 센서를 이용하여 강우 전후로 대기 중 PM₁₀ 농도를 측정하였으며, 측정된 데이터를 바탕으로 주성분 분석(principal component analysis, PCA)과 피어슨 상관분석(Person correlation analysis)을 실시하여 대기 중 PM₁₀ 농도와 빗물 수질 간 상관관계를 규명하였다. 연구결과, 부산지역의 일평균 대기 중 PM 농도 및 강우 특성은 계절적 차이가 존재하였으며, 대기 중 PM₁₀ 농도와 빗물 수질간 상관성 또한 상이하게 나타났다. 봄철의 경우, 일평균 대기 중 PM₁₀ (34.11 μg/㎥) 및 PM_2.5 (19.23 μg/㎥)의 평균 농도는 상대적으로 높게 나타났고 일평균 누적 강우량 및 강우 강도는 상대적으로 낮게 나타났다. 또한, 대기 중 PM₁₀ 농도는 빗물 수질과 유의미한 상관관계를 보였으며 대기 중 PM₁₀ 농도는 pH (r = -0.84)는 감소시키고 EC (r = 0.95) 및 수용성 음이온(r = 0.99) 농도는 증가시키는 요인으로 작용하였다. 여름철의 경우에는 일평균 PM₁₀ (27.79 μg/㎥) 및 PM_2.5 (17.41 μg/㎥)의 평균 농도가 상대적으로 낮은 농도 분포를 보였으며, 최대 일평균 강우 강도는 81.6 mm/h로 오랜 시간 많은 양의 비를 기록하였다. 상대적으로 낮은 대기 중 PM 농도와 높은 강우 강도로 인해 대기 중 PM₁₀ 농도가 빗물 수질에 미치는 영향을 확인할 수 없었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study investigated seasonal characteristics of the particulate matter (PM) in the atmosphere and rainwater quality in Busan, South Korea, and evaluated the seasonal effect of PM₁₀ concentration in the atmosphere on the rainwater quality using multivariate statistical analysis. The concentration of PM in the atmosphere and meteorological observations (daily precipitation amount and rainfall intensity) are obtained from automatic weather systems (AWS) by the Korea Meteorological Administration (KMA) from March 2020 to August 2020. Rainwater samples (n = 216, 13 rain events) were continuously collected from the beginning of the precipitation using the rainwater collecting device at Pukyong National University. The samples were analyzed for pH, EC (electrical conductivity), water-soluble cations (Na⁺, Mg²⁺, K⁺, Ca²⁺, and NH⁴⁺), and anions (Cl^-, NO^3-, and SO^42-). The concentration of PM₁₀ in the atmosphere was steadily measured before and after the precipitation with a custom-built PM sensor node. The measured data were analyzed using principal component analysis (PCA) and Pearson correlation analysis to identify relationships between the concentration of PM₁₀ in the atmosphere and rainwater quality. In spring, the daily average concentration of PM₁₀ (34.11 μg/㎥) and PM_2.5 (19.23 μg/㎥) in the atmosphere were relatively high, while the value of daily precipitation amount and rainfall intensity were relatively low. In addition, the concentration of PM₁₀ in the atmosphere showed a significant positive correlation with the concentration of water-soluble ions (r = 0.99) and EC (r = 0.95) and a negative correlation with the pH (r = -0.84) of rainwater samples. In summer, the daily average concentration of PM₁₀ (27.79 μg/㎥) and PM_2.5 (17.41 μg/㎥) in the atmosphere were relatively low, and the maximum rainfall intensity was 81.6 mm/h, recording a large amount of rain for a long time. The results indicated that there was no statistically significant correlation between the concentration of PM₁₀ in the atmosphere and rainwater quality in summer.

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