격자화 된 에어로졸의 정량적 정보를 활용한 한반도 지역 미세먼지 특성 및 영향력 분석

국문 초록 (Abstract)

에어로졸은 대기질과 기후에 중요한 역할을 한다고 알려져 있다. 대기오염과 연관하여 환경문제를 유발하는 동시에 태양광을 산란 또는 흡수하여 복사 수지 변화를 야기한다. PM2.5는 대기오염의 지표로 활용되며 복사수지 변화에 미치는 영향을 정량화 하는 지표로는 복사강제력이 활용되고 있다. 본 연구에서는 격자화 된 에어로졸의 정량적 정보를 제공하는 새로운 자료 활용을 통해 다양한 공간 및 시간 규모에서 에어로졸이 대기질과 기후변화에 미치는 영향을 이해하고자 하였다. MERRA-2 재분석 자료의 PM2.5 연구 활용 가능성을 검토하였으며, 정지궤도 환경위성 GEMS를 활용해 시간별 복사강제력을 추정하고자 하였다. MERRA-2 재분석 자료를 활용해 추정된 PM2.5 농도는 전체 연구기간(2015-2021년)에 대해 지상관측과 유사한 공간분포 특징을 보였으나, 비교적 오염이 심한 도시 지역에 대해서는 큰 불확실성이 나타났다. MERRA-2가 지상관측에 비해 과대, 과소 모의하는 등 강한 계절성 불일치가 포착되었다. PM2.5 구성 성분 비교를 통해 배출량 정보에 불확실성이 있는 것을 확인할 수 있었다. 본 연구에서는 질산염 부재로 인한 겨울철 과소 모의 가능성에 중점을 두고 살펴보았는데, 질산염 고려 후 지상관측과 MERRA-2 간의 차이가 완화되는 것을 확인할 수 있었다. 추후 MERRA-2를 활용해 한국 대기질을 평가하기 위해서는 여러 민감도 실험을 통해 MERRA-2의 과대, 과소 모의를 완화시킬 수 있는 다른 추정식을 고안할 필요가 있어 보인다. GEMS 자료를 활용해 추정된 시간별 복사강제력이 AOD의 시간별 변화와 유사하게 이른 아침과 늦은 오후에 크고 정오 근처에서 작은 값이 나타나는 변동성을 가지는 것을 확인하였다. AOD의 증가에 따라 지표와 대기 상한에서 복사강제력이 음의 방향으로 크게 나타나는 특징이 잘 나타났다. 지상관측과 비교해 추정된 복사강제력은 정량적으로 낮은 모습을 보이는데, 추후 알고리즘 개선 및 사용 자료 정확도 향상을 통해 개선될 수 있을 것이라 기대한다. 본 연구는 PM2.5와 복사강제력과 관련해 각각 MERRA-2와 GEMS 자료를 사용해 해당 자료를 대기질 평가에 어떻게 활용할 수 있는지에 대한 이해를 제공하였다는 점에서 연구적 의의를 가질 것으로 사료된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Aerosols are known to play a significant role in air quality and climate. They are associated with environmental issues by causing atmospheric pollution and inducing changes in the radiative balance through scattering or absorption of solar radiation. PM2.5 is used as an indicator of atmospheric pollution, and radiative forcing is utilized as a metric to quantify its impact on radiative balance. In this study, we aimed to understand the impact of aerosols on air quality and climate change at various spatial and temporal scales by using novel data that provide quantitative information on gridded aerosols. Regarding PM2.5 research, the feasibility of using MERRA-2 reanalysis data was examined, and the geostationary satellite GEMS was used to estimate the hourly radiative forcing. The estimated PM2.5 using MERRA-2 reanalysis data showed spatial distribution similar to ground observations throughout the entire study period (2015-2021), but exhibited significant uncertainties, particularly in heavily polluted urban aeras. It was observed that MERRA-2 exhibited significant seasonal discrepancies such as overestimation and underestimation, compared to ground observations. Through a comparison of PM2.5 composition, it was identified that there is uncertainty in emission information. In this study, we focus on the possibility of underestimation during winter due to the absence of nitrates. It was found that considering nitrates helped alleviate the differences between ground observations and MERRA-2. For future evaluations of Korean air quality using MERRA-2, it appears necessary to devise alternative estimation methods that can mitigate both overestimation and underestimation through various sensitivity test. The estimated time-dependent radiative forcing using GEMS data showed variability, similar to the temporal changes in AOD, with higher values observed in the early morning and late afternoon, and lower values near noon. Negative radiative forcing was primarily observed at the surface and at the top of the atmosphere. The estimated radiative forcing, compared to ground-based data, exhibited relatively lower quantitative values, but it is expected to improve through future algorithm enhancements and improvements in data accuracy. This study provides insights into how the MERRA-2 and GEMS data can be utilized for air quality assessment in relation to PM2.5 and radiative forcing, contributing to its research significance.

목차 (Table of Contents)

• 차례 .................................................................. ⅰ
• 그림 차례 ........................................................... ⅲ
• 표 차례 ................................................................ ⅷ
• 국문 요약 ............................................................... ⅸ
• 제 1장. 서론 ............................................................ 1
• 제 2장. MERRA-2 재분석 자료를 이용한 국내 지표 PM2.5 추정 ................ 3
• 2.1 연구 배경 ....................................................... 3
• 2.2 자료 및 분석 방법 ............................................... 6
• 2.2.1 MERRA-2 .................................................. 7
• 2.2.2 에어코리아 (AirKorea) .................................... 11
• 2.2.3 대기오염집중측정망 자료 .................................. 12
• 2.2.4 통계 분석 ................................................ 14
• 2.3 결과 및 토의 ..................................................... 16
• 2.3.1 MERRA-2 재분석 자료와 지상관측 PM2.5 비교 ................. 16
• 2.3.2 MERRA-2 재분석 자료와 지상관측 PM2.5 구성성분 비교 ......... 37
• 2.3.3 코로나 바이러스 감염증 (Coronavirus disease 2019; COVID-19) 사례분석 .............................................. 55
• 2.4 요약 ........................................................... 61
• 제 3장. GEMS 대기 조성 산출물을 활용한 복사강제력 추정 ................ 63
• 3.1 연구 배경 ........................................................ 63
• 3.2 자료 및 분석 방법 ............................................... 66
• 3.2.1 연구 지역 ................................................. 66
• 3.2.2 GEMS ...................................................... 67
• 3.2.3 에어로넷 (AERONET) ........................................ 70
• 3.2.4 복사전달모델 .............................................. 73
• 3.3 결과 및 토의 ..................................................... 80
• 3.3.1 에어로졸 광학 특성 ........................................ 80
• 3.3.2 민감도 분석 .............................................. 85
• 3.3.3 지역별 시간별 복사강제력 산출 ............................. 89
• 3.4 요약 ............................................................ 98
• 제 4장. 결론 .......................................................... 101
• 참고 문헌 .............................................................. 104
• Abstract .............................................................. 114