Quantifying the Absorption Efficiency of Organic Aerosol by Observations and Assessing its Climatic Effects = 관측을 통한 유기 에어로졸 빛 흡수성 정량화 및 기후에 미치는 영향

국문 초록 (Abstract)

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.

목차 (Table of Contents)

• 1 Introduction 1
• 1.1 Backgrounds 1
• 1.1.1 Light absorption by organic aerosol (OA) 1
• 1.1.2 Climatic effect of OA light absorption 5
• 1.2 Objectives 7
• 2 Data and model 9
• 2.1 Data 9
• 2.1.1 AERONET 9
• 2.1.2 Fine-mode sea-salt and dust AODs 11
• 2.1.3 Sulfate+nitrate AOD 12
• 2.2 Model 15
• 2.2.1 Model description 15
• 2.2.2 Experiment design 16
• 3 OA light absorption by observations 22
• 3.1 Derivation of OA SSA 22
• 3.1.1 Algorithm development 22
• 3.1.2 Sensitivity tests 26
• 3.2 Determination of OA SSA 33
• 3.3 Application of the determined OA SSA 41
• 4 Climatic effect of OA light absorption 45
• 4.1 General model results 45
• 4.1.1 Global distribution and annual cycle of AAOD 45
• 4.1.2 Global radiative effect due to OA light absorption 48
• 4.2 Regional climatic effect 52
• 4.2.1 Climatic effect of OA absorption in Asia 52
• 4.2.2 Climatic effect of OA absorption in Amazon 61
• 4.2.3 Climatic effect of OA absorption in Southern Africa 67
• 5 Summary 72
• References 76
• Abstract (In Korean) 87
• Acknowledgement (In Korean) 90