NOx 배출/오염 특성에 따른 NO2의 모델링 기법에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

우리나라는 산업화와 도시화의 급속한 발전으로 인한 대기오염물질 배출시설, 자동차 운행 증가, 에너지 사용량의 증가와 더불어 대규모 도시의 경제 활동, 사회 활동 및 산업 활동 등에 의한 대기오염물질이 대기질에 영향을 끼치고 있으며, 이는 많은 환경 문제를 수반하게 된다.
특히 대기오염물질 중에서 SO2와 CO는 1차 오염물질로서 1998년의 청정연료사용의무화와 이에 따른 대기오염원에 대한 여러 가지 규제관리를 실시한 이래로 지속적인 감축 효과를 거두었지만, PM10와 O3, 그리고 NO2와 같은 경우는 2차 오염물질로서 효과를 거두지 못하였으며, 오히려 인구가 밀집하고 산업 활동이 활발한 대도시에서는 역효과를 보고 있다.
그 중 NOx의 배출량은 NO와 NO2의 합으로 정의되나 90%이상이 NO가 차지하고 있으며, 1차적으로 배출되어서 대기 중 기상상황에 따라 O3 또는 VOCs등과 같은 산화제에 의한 산화반응으로 NO2로 전환되므로, 이에 대한 영향예측으로 정확한 대기확산 모델링 실행 시는 많은 어려움을 겪게 된다. 이에 본 연구에서는 대상지역 연, 월, 요일, 시간별 NOx농도의 배출/오염특성과 NO2/NOx Ratio을 분석하고, NO2에 대한 대기오염확산을 예측하기 위하여, 전환율을 고려한 모델링과 시간별 O3농도에 의한 산화반응을 고려하는 등 4가지 모델링 기법으로 예측과정을 실시하고 측정치와 각각 비교하여 통계분석 방법으로 모델링 결과를 평가하였다.
대상지역 서울시의 도시대기 장동측정망 14개소에서 측정된 시간별 NO, NO2, O3농도자료를 이용하여, 시간별, 요일별, 계절별 NOx농도 분포특성에 대하여 분석한 결과, 시간, 요일별 농도변화는 이동오염원이 주범인 교통량의 증감과 기상변화의 영향을 많이 받는 것으로 나타났다. 월별, 계절별 농도변화는 기상요소 중 일사량에 의한 오존농도와 강우량의 영향을 받는 것으로 분석되었다. NO2는 봄, 여름에 최대와 최소농도를 보였으며, 봄에는 일사량이 높은 관계로 강한 햇빛이 자동차에서 배출되는 HC와 공존 시 NO→NO2로의 산화반응을 촉진 시켰으며, 여름에는 장마철과 잦은 강우현상에 의한 세척작용으로 많이 감소되었다.
고 오존농도와 저 오존농도 대상목표일에 대하여 4가지 모델링 기법으로 NO2대기오염확산 모델링을 실시하였다. 고 오존농도 발생 일의 NO2/NOx Ratio 최대값은 오후 18시정도의 0.929었으며, 최소값은 NO농도가 우세를 차지하는 오전 9시의 0.451이었다. 저 오존농도 발생일의 NO2/NOx Ratio 최대값은 새벽 3시의 0.724었으며, 최소값은 역시 교통량에 의한 NO농도가 우세를 차지하는 아침 9시의 0.339였다.
NO2모델링 예측결과와 측정치의 통계분석을 통하여 전체적으로 비교적 미미한 상관도를 보였으며, 음의 상관도를 보이기도 하였다. 모델링 기법 중 전환율을 필요로 하였으며, 실제적인 모델링 과정에서 전환율의 계산은 많은 어려움이 동반될 뿐 만 아니라, 오존에 의한 산화반응을 고려한 모델링 기법조차 대기 중 복잡한 광화학적 반응기작을 모사하기 어려우며, 더 정확한 모델링 결과를 예측하기 위한 새로운 기법이 필요로 할 것이다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• 1.1 연구배경 1
• 1.2 연구목적 5
• Ⅱ. 이론적 배경 6
• 2.1 대기오염물질 배출량 6
• 2.2 질소산화물(NOx) 9
• 2.2.1 정의 9
• 2.2.2 질소산화물의 특성 10
• 2.2.3 질소산화물과 광화학적 반응 11
• 2.2.3.1 대기중 질소산화물(NOx) 12
• 2.2.3.2 대기중 오존(O3) 14
• 2.3.3.3 대기중 탄화수소(HC) 15
• 2.3 통계적 분석방법 18
• 2.4 CALPUFF 모델의 개요 20
• 2.4.1 CALMET 기상 모델 22
• 2.4.2 CALPUFF 확산 모델 25
• 2.4.3 CALPOST/PRTMET 33
• Ⅲ. 연구내용 및 방법 34
• 3.1 연구내용 34
• 3.2 연구방법 36
• 3.2.1 연구대상지역 36
• 3.2.2 연구대상기간 41
• 3.3 대기오염물질 배출량 42
• 3.3.1 배출량의 내용 및 범위 42
• 3.3.2 단위별 배출량 산정방법 44
• 3.4 모델링방법 47
• 3.4.1. 기상자료의 적용 52
• 3.4.2. 지형자료의 적용 54
• Ⅳ. 결 과 57
• 4.1 대상지역 일반현황 57
• 4.1.1 대상지역 기상현황 58
• 4.1.2 대기오염물질 배출량 63
• 4.1.3 자동차 등록대수 74
• 4.1.4 대상지역 교통량 및 차량속도 76
• 4.1.4.1 대상지역 교통량 76
• 4.1.4.2 대상지역 차량속도 81
• 4.2 NOx농도 오염특성 84
• 4.2.1 시간별 특성 84
• 4.2.2 요일별 농도특성 88
• 4.2.3 월별, 계절별 특성 90
• 4.2.4 NO2/NOx Ratio 시간별 특성 93
• 4.2.5 NO2/NOx Ratio 월별, 계절별 특성 95
• 4.2.6 NOx로부터의 NO2전환식 98
• 4.2.7 NOx 농도와 영향인자와의 상관관계 102
• 4.3 고 오존(O3)농도일 경우 모델링 결과 106
• 4.3.1 기상현황 106
• 4.3.2 대기질의 특징 110
• 4.3.3 모델링 결과와 대기질의 비교 115
• 4.4 저 오존(O3)농도일 경우 모델링 결과 116
• 4.4.1 기상현황 117
• 4.4.2 대기질 특징 120
• 4.4.3 모델링 결과와 대기질의 비교 126
• 4.5 대상 목표일 모델링 결과 통계적 분석 128
• 가. 고 오존(O3)농도 발생일의 경우 128
• 나. 저 오존(O3)농도 발생일의 경우 132
• Ⅴ. 결 론 136
• Ⅵ. 참고문헌 139