미세먼지 예보 개선을 위한 WRF-CMAQ 기반 대기경계층 모수화 오차 특성 분석 = Error Analysis of PBL parameterization simulated by WRF-CMAQ to improve the PM2.5 forecast

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In air quality forecasting, meteorological variables are of great importance. In particular, the planetary boundary layer(PBL) is one of the most important factors influencing the vertical distributions of air pollutants. As PBL is characterized by the complex turbulence precesses in the meteorological model, it should be parameterized by determining the turbulent properties. Therefore model results of pollutant concentrations are highly dependent on parameterization methods. In this study, as a case study, we carried out three sensitivity tests from different PBL turbulence parameterization schemes: nonlocal(YSU), local(MYJ), hybrid(ACM2) for WRF-CMAQ, and detailed statistical analysis for the pollutants were carried out over day and night separately; daytime is characterized by thermal turbulence whereas nighttime is dominant by mechanical turbulence.
The results showed that temperature and relative humidity were simulated relatively better for both day and night except for some meteorological variables such as wind speed. Wind speed was overall overestimated by all parameterization schemes in the model; therefore, it is necessary to improve wind speed simulation capability in simulating the air pollutants by WRF model. Relatively, non-local PBL scheme outperforms local scheme during daytime; local scheme simulates more than twice as much as observations during daytime. It is therefore indicating that the non-local method that parameterizes the turbulence with the consideration of overall vertical profile is relatively more appropriate for simulating wind speed. PBL height(PBLH) was found to be superior to the non-local scheme during daytime when large eddies were dominant and buoyancy is well associated, while local scheme shows better capabilities during nighttime when turbulence such as small eddies and molecular diffusion were mainly caused by shear. PM2.5 concentrations were underestimated at all times, while non-local scheme simulated relatively higher concentrations among the three schemes, thereby yielding simulations close to the observation. Local scheme showed relatively better capability in PBLH simulations in nighttime, whereas it showed the worst capability in PM2.5 simulation presumably due to overestimated wind speed.
As a result of modeling analysis for day and night separately, it is advantageous that a hybrid technique would be recommended to parameterize turbulence characteristics by applying the non-local method during the day and the local method at night to improve the simulation capability of atmospheric boundary layer parameterization over the Seoul metropolitan area. Further, it would be also necessary to apply model sensitivity studies to various cases and other urban areas to provide a legitimate, integrative, interpretive evaluation in association with PBL schemes in South Korea.

국문 초록 (Abstract)

대기질 예보에 있어 기상요소는 매우 중요하며, 특히 대기경계층은 오염물질의 연직 확산에 영향을 미치는 중요한 인자이다. 기상 모델 내에서 대기경계층은 복잡한 난류 과정을 반영하여 결정되므로, 직접 계산 가능하지 않고 모수화 과정으로 결정된다. 어떠한 방법을 사용하여 모수화하였는지에 따라 상이한 대기경계층을 모의하므로 오염물질 농도 예측에 직접적으로 영향을 미친다. 따라서 본 연구에서는 WRF 모델 내에서 구별된 난류 모수화 특성을 가지는 비국지(YSU)·국지(MYJ)·혼합(ACM2) 방안 총 3가지 옵션을 선정하여 기상장을 모의한 후, CMAQ 모델로 대기질 모의를 하였을 때 변수들의 모의 차이점에 관련한 민감도 연구를 수행하였으며, 통계 분석을 이용하여 수도권 초고농도 사례에 대해 정량적으로 분석하였다.
열적 난류가 지배적인 주간과 기계적 난류가 지배적인 야간을 구분시켜 분석한 결과, 기온 및 상대습도는 주야간 모두 우수하게 모의하였지만 풍속은 전부 과대모의하며 모델 풍속 모의 능력 개선이 필요함을 확인하였다. 특히 주간에 국지 방안은 관측 대비 2배 이상 모의하여, 전체 연직 프로파일을 고려하여 난류를 모수화하는 비국지 방법이 풍속 모의에 더 적절하다고 판단된다. 경계층 고도는 부력에 의해 큰 에디가 우세한 주간은 비국지 방안, 시어에 의한 작은 에디 및 분자확산과 같은 난류가 발생하는 야간은 국지 방안이 우수한 것으로 나타났지만, PM2.5 농도는 전 시간대에서 과소모의하였고 비국지 방안이 그 중 가장 높게 모의하여 측정 농도와 가까웠다. 야간 경계층 고도는 국지 방안이 잘 모의했음에도 불구하고 PM2.5를 잘 모의하지 못한 이유는 비국지 방안의 매우 낮은 야간 경계층 모의에 의한 것으로 추정하였다. 주야간 종합 분석 결과, 대기경계층 모수화 정확도 향상을 위해 주간은 비국지, 야간은 국지 방법으로 난류를 모수화하는 통합적 기법이 필요해 보이며, 주간보다는 야간 모의 능력이 어느 정도 개선 가능한지에 관련한 난류 특성 연구가 필요할 것으로 해석하였다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 제 2 장 자료 및 연구 방법 5
• 2.1 대상 지역 및 이용 자료 5
• 2.1.1 기상 및 PBLH 관측 자료 5
• 2.1.2 초미세먼지 측정 자료 6
• 2.2 WRF-CMAQ 모델 설정 6
• 2.3 대기경계층 모수화 방안 이론 13
• 2.3.1 난류 종결 방법 13
• 2.3.2 비국지 및 국지 방안의 난류 모수화 이론 13
• 2.4 연구 사례 선정 18
• 2.5 모델 검증 지표 21
• 제 3 장 연구 결과 23
• 3.1 모델 검증 결과 23
• 3.1.1 통계 분석 23
• 3.1.2 시계열 분석 25
• 3.1.3 연직 분포 분석 28
• 3.2 PM2.5 농도 공간 분포 모의 결과 31
• 3.2.1 동아시아 PM2.5 농도 분포 31
• 3.2.2 수도권 PM2.5 농도 분포 32
• 3.3 방안별 상세 분석 35
• 3.3.1 주야간 난류 특성 35
• 3.3.2 주야간 차이점 비교 분석 35
• 3.3.3 PM2.5 및 PBLH의 일변화 모의 오차 분석 41
• 3.3.4 PM2.5 및 PBLH의 주야간 및 일평균 모의 오차 분석 41
• 제 4 장 요약 및 결론 46
• 참고문헌 49
• Abstract 55