Journal of Climate Change Research 2017, Vol. 8, No. 2, pp. 81 89 DOI: http://dx.doi.org/10.15531/ksccr.2017.8.2.81 * ** *** **** *, **, ***, **** Analysis about CO Diffusion Change Caused by Climate Change Using CALPUFF Ha, Minjin *, Lee, Taekyeong **, Lee, Im Hack *** and Jeon, Eui Chan **** * SMaRT ECO, Seoul Korea, ** Cooperate Course for Climate Change, Sejong University, Seoul, Korea, *** Dept. of Environmental Engineering, University of Seoul, Korea, **** Dept. of Environment and Energy, Sejong University, Seoul, Korea ABSTRACT In this study CALPUFF was used to estimate the influence of temperature rise, according to the observation value of temperature rise based RCP scenario, on meteorological elements (wind direction, wind speed, mixing height) and the change of pollutant diffusion. According to the result. applying estimated value of year 2050 temperature rise, the mixing height is increased as per the temperature rise, so the range of atmospheric diffusion is widened. In summer case, by applying temperature rise of 4 and comparing with before applying temperature rise, there was change of diffusion range as per the change of temperature between 10 AM to 11 PM. And the range of diffusion was wider than that of before temperature rise. In winter case, by applying estimated value of temperature rise, 2.3, diffusion range has been changed between 8 AM to 4 PM, showing different diffusion aspect from summer. Also, according to the result of air pollution level assessment with temperature rise, it was proved that the ratio of area with increasing air pollution level has been getting higher by increase of temperature. Key words: Climate Change, Air Pollutant, CALPUFF, Air Pollution Assessment 1. 서론 기후변화로인해기온의상승과대기오염의상호작용에대한관심이높아지는추세이다. 기후변화가대기오염농도에미치는영향은기후특성에따라두가지로나타낼수있다. 첫번째는기온상승으로인한환경거동적측면에서혼합고와안정도등의변화이며, 두번째는대기오염특성에따른광화학반응과연계된생성과분해과정에미치는영향이다. Park (2010) 에따르면기후변화에따른기온상승은대기의혼합고와안정고에영향을주면서대기오염물질의거동적인측면이변화된다. 또한미세먼지, SOx, NOx, VOC 농도는대기의혼합고및안정도변화에민감하게영향을받는다. 기후변화로인한기온상승은기상요소 ( 풍향, 풍속, 혼합고, 안정도, 기온 ) 를변화시킬수있으며, 기상요소의변화는대기오염물질의농도변화에영향을줄수있고, 대기오염물질농도의변화는사람의건강에영향을줄수있다. 기후변화에따른대기질변화에대한연구에는 Moon et al.(2009), Kim et al.(2010) 의연구가있다. Moon et al.(2009) 의연구에따르면기후변화로인한기온상승으로대기오염물질 (SO 2, CO, NOx, O 3 ) 농도가전반적으로상승하는것으로나타났다. Kim et al. (2010) 의연구는기후변화에따른오존농도의특성을분석한연구로기후변화로인한기온상승이미래오존농도에영향을미칠수있다는연구결과를보여주고있다. 본연구에서는가우시안퍼프 (Puff) 모형인 CALPUFF 모델을사용하여 2050년 RCP 8.5 시나리오에따른 2050년의기온상승이기상요소 ( 풍향, 풍속, 혼합고 ) 와대기오염물질의확산 Corresponding author: ecjeon@sejong.ac.kr Received September 5, 2016 / Revised December 26, 2016 1st, March 6, 2017 2nd / Accepted April 3, 2017
82 하민진 이태경 이임학 전의찬 및대기오염도변화에미치는영향을분석했다. 2. 연구방법 2.1 연구의범위및방법 본연구에서사용하는 CALPUFF 모델은모델의특성상예측지점만모델링영역으로지정할경우, 지정된영역외주변지역에서는오염물질의배출이없는것으로인식된다. 따라서농도및확산변화의정확성을높이기위해연구대상지역을서울시와서울시의경계로부터 4방위로 15 km씩이격된지점으로설정하였다. 대기오염물질분석대상지역은 2011년도대기환경연보의도로변대기측정망자료를토대로선정하였다. 대기환경연보 (2011) 의서울도로변대기측정망분석결과에따르면양재로측정소의 NO 2, CO, 미세먼지농도가가장높게나타났다. 따라서본연구에서는오염물질분석대상지역을양재로를포함한서초구로설정하였다. 위와같이설정된모델링영역을 CALMET 모델을이용하여기온상승에따른기상요소 ( 풍속, 풍향, 혼합고 ) 의변화를분석하였다. 그결과를바탕으로 CALPUFF 모델을이용하여 2050년기온상승에따른대기오염물질의확산및대기오염도변화를분석하였다. 2.2 CALPUFF 모델및입력자료본연구에서사용하는 CALPUFF 모델은시간및공간에따른바람장의변화를 PUFF( 연기덩어리 ) 의이동에고려할수있는비정상상태모델이다. CALPUFF 모델은점 면오염원에대한시간적인농도변화분석가능, 오염원으로부터수백킬로미터범위의모델링, 시간, 일, 연단위의농도예측뿐만아니라, 복잡한지형상황도모델링이가능하다는특징을갖고있다. CALPUFF 모델은 1) 진단 (diagnostic) 및예측 (prognostic) 기상장생성모듈을포함한기상모델, 2) 화학적제거및건 습식침적, 복잡지형알고리즘, 빌딩다운워시, 연기침강 (Plume fumigation) 및기타효과들을다루는가우시안퍼프확산모델, 3) 기상자료와농도및침적량 (deposition fluxes) 에대한결과를볼수있는후처리프로그램으로구성되어있다. 2.2.1 CALMET 입력자료 CALPUFF 모델을구동하기위해서는기상장을생성하는기상처리시스템인 CALMET 모델을사용해야한다. CALMET 모델은지표기상관측자료와고층기상관측자료를공간적 으로내삽하여격자점에서풍향, 풍속을구하는진단적방법을 사용하고, 시간단위의바람과온도를 3 차원 GRID 기상장을 만드는프로그램이다. CALMET 모델을구동하기위해입력해 야하는조건은 Table 1 과같고, 모델링영역은서울시와서울 시경계로부터 4 방위로 15 km 씩이격된지점을포함하고있 다 (Fig. 1). 2.2.2 지형및기상입력자료 연구대상지역의지형적특성은기상장과대기오염물질의 확산분석에영향을미치기때문에모델사용시연구대상지 역의지형자료를입력해야한다. 지형자료입력을위해환경 Table 1. The input data of CALPUFF modeling Items Grid origin (reference point) Grid spacing (ΔX) Domain size Input Capital area (70 km 70 km) X (Easting) 288,185.00 Y (Northing) 4,129,011.00 Nx (no. x grid cells) Ny (no. y grid cells) 1 km 71 71 NO. of vertical layers 10 Cell face heights (m) Origin of projection Time zone Projection 0, 20, 40, 80, 160, 300, 600, 1,000, 1,500, 2,200, 3,000 UTC+0900 UTM 52 ZONE Lattitude 37N 37N Longitude 126E 127E False easting 0.0 False northing 0.0 Datum Continent/ocean Geoid-ellipsoid Region Modeling period WGS-84 Asia Korean geodetic system 1995 :WGS 84 South Korea In January 14 17, 2011 / in July 16 19, 2011 Journal of Climate Change Research 2017, Vol. 8, No. 2
CALPUFF 모텔을이용한기후변화에따른일산화탄소의대기오염영향분석 83 본연구의대상지역인서초구의배출원목록은 CAPSS(Clean Air Policy Support System) 의 2011년도자료를이용하였다. 서초구에는에너지산업연소, 생산공정을제외한배출원이존재하는것으로나타났다 (Table 3). 서초구의대상물질총배출량은 278.62 g/s으로산정하였다. 2.3 기온상승시나리오 Fig. 1. CALPUFF modeling area. 부에서제공하는토지피복도를사용하였고, 지형의고도자료는 USGS(United States Geological Survey) 에서제공하는 SRTM3 ( 90 m) 을이용하였다. 본연구대상영역의기상현황을모델에반영하기위해대상지역및대상지역인근에위치한기상관측소동두천, 파주, 서울, 인천, 수원의기상관측소기상자료를이용하였다 (Table 2). 2.2.3 배출량입력자료 본연구에서는국립기상과학연구원의 RCP 8.5 시나리오의최고기온과최저기온예측자료를대기오염물질확산분석에적용할기온상승범위로사용하기위해 2011년대비 2050 년의기온차이값을산정하였다. 2011년과 2050년의계절별 ( 겨울 (12 2 월 ), 봄 (3 5 월 ), 여름 (6 8 월 ), 가을 (9 11 월 )) 평균값의차이를살펴보면여름과겨울에각각 4 와 2.3 의상승치를보이는것으로나타났다. 본연구의분석기간은 2011년의여름과겨울의기온극한값 (2011년중최고및최저온도 ) 을기준으로눈 비 태풍등의기상변화를제외하고설정하였다. 분석기간은 2011년의최고기온일 (7월 18일 ) 을포함한 4일 (2011년 7월 16 19 일 ) 과최저기온일 (1월 16일 ) 을포함한 4일 (2011년 1월 14 17 일 ) 이다. 기상요소 ( 풍향, 풍속, 혼합고 ) 의변화를알아보기위해사용한기온상승치 2 는 2065년까지한반도기후변화시나리오중최저기온상승치 2.3 를임의로반올림한값이다. Table 2. Surface meteorological data File name Station number (ID) X (km) Y (km) Timezone Elevation Ht DDC 98 330.02 4196.48 UTC+0900 ( 9) 112.4 PA 99 303.60 4195.22 UTC+0900 ( 9) 30.1 SE 108 320.42 4159.68 UTC+0900 ( 9) 85.5 IN 112 290.70 4149.27 UTC+0900 ( 9) 68.9 SU 119 321.18 4126.36 UTC+0900 ( 9) 33.6 Table 3. CAPSS classification code of Seochogu emission source SCC CODE Division SCC CODE Division 03000000 Manufacturing combustion 08000000 Non-road mobile source 04000000 Production process 09000000 Waste disposal 05000000 Energy transport and storage 10000000 Biogenic emissions 06000000 Organic solvent 11000000 Agriculture 07000000 Mobile emission 12000000 Fugitive dust http://www.ekscc.re.kr
84 하민진 이태경 이임학 전의찬 3. 연구결과 3.1. 기온상승에따른기상요소의변화 기온상승시기상요소 ( 풍향, 풍속, 혼합고 ) 의변화는 2011 년도의최고기온을기록한 7월 18일을기준으로분석하였다. 분석기간내배출량은동일할것이라는가정하에배출농도가가장높은 1개지점을면오염원으로설정하여시간별기상요소의변화를분석하였다. 설정한분석기간의눈 비 태풍등의기상변화를제외하고, 일간변화를알아보기위해지표및고층기상자료에동일하게 2 로기온을상승시켜변화를분석하였다. CALMET 의후처리모델인 PRTMET 을통해기상요소의변화를분석한결과, 기상요소중에서혼합고는변화가있었지만 (Fig. 2), 풍향 (Fig. 3), 풍속 (Fig. 4) 의변화는없는것으로나타났다. 혼합고의변화를살펴보면한강부근의변화가가장두드러지고, 서울경계를벗어난수도권지역에서도변화가나타나, 온도상승시대기오염물질이더넓은범위로확산할것이라판단된다. 이와같이기온상승에따른혼합고의변화는 CALMET 의대기불안정상태에서혼합고생성과정은식 (1) 과같다. (a) Before the temperature rise h t+dt = (1) 식 (1) 에서 h t+dt = t+dt 시간에서의혼합고 h t = t 시간에서의혼합고 Ψ 1 : 혼합층위에서의온위온도체감율 dθ t : 혼합층고도에서온도차이 E : 상수 (0.15) Q h : 현열 c p : specific heat of air at constant pressure (996 m 2 /(s 2 K)) ρ : 공기밀도 dθ t+dt = (2) 식 (1) 에서혼합고는현열 (Q h ) 의영향을가장많이받게되 어있는데, 현열이란물체온도의오르내림에수반하여출입 (b) After 2 rise Fig. 2. Mixing height change in the modeling area. 하는열이다. 지면으로부터 10 m 높이에서측정하는대기온도가상승하면현열이증가한다는의미이고, 현열이증가하면식 (1) 에의하여혼합고의상승하는결과를나타내게된다. 3.2 RCP 8.5 시나리오에따른 CO의확산변화와대기오염평가본연구에서는동일한양의대기오염물질이배출된다는가정하에온도변화에따른 CO의확산변화를알아보는것이목적이므로, 농도에대한변화는고려하지않고, 기온에따라 Journal of Climate Change Research 2017, Vol. 8, No. 2
CALPUFF 모텔을 이용한 기후변화에 따른 일산화탄소의 대기오염 영향 분석 (a) Before the temperature rise 85 (a) Before the temperature rise rise rise (b) After 2 (b) After 2 Fig. 3. Wind direction change in the modeling area. Fig. 4. Wind speed change in the modeling area. CO가 확산되는 범위의 변화만 분석하였다. RCP 8.5 시나리 부터 21시까지 확산 범위가 변화한 것으로 분석되었다. 확산 오를 바탕으로 2050년의 여름철 기온 상승 예측치인 4 를 의 범위는 10 μg/m3 이상(보라색)부터 0.001 μg/m3 이하(노란 적용하여 분석한 결과, Fig. 5와 같이 대기오염물질의 확산 범 색)로 구분지었을 때 0.001 μg/m3 이하 구간의 변화가 가장 크 위가 넓어지는 것으로 나타났다. 게 나타났으며, 0.01 1 μg/m3 이상 범위에서도 확산되는 넓이 대기오염물질은 여름철 분석기간인 7월 18일의 경우, 인천 방향인 서쪽으로 확산됐다. 기온 상승에 따른 확산 변화를 알 가 달라지는 것으로 분석되었다. 상승 시 CO는 서북(경기 온도 상승 전에 비해 온도를 4 아본 결과, 2050년의 동일한 날의 기온이 4 상승했을 경우 도 파주시)과 서남(경기도 안산시)방향으로 넓게 확산되는 것 0 11시까지 확산 범위의 변화가 크게 나타나지 않았고, 12시 으로 나타났다. 2050년의 기온 상승 예측 기온인 4 를 적용 http://www.ekscc.re.kr
86 하민진 이태경 이임학 전의찬 Table 4. Increase and reduction area ratio of air pollution level in the modeling area in summer Time Increase area ratio of air pollution level (%) Decrease area ratio of air pollution level (%) 0 1.2 2.1 1 3.3 3.9 2 5.7 10.9 3 6.0 11.7 4 11.5 6.0 5 7.0 10.4 6 8.5 15.3 7 9.3 17.2 (a) On July 18, 2pm- Before the temperature rise 8 10.0 12.8 9 11.5 12.4 10 15.5 12.8 11 13.8 12.2 12 24.6 14.0 13 19.9 14.3 14 34.1 9.8 15 31.7 8.5 16 24.8 8.5 17 19.7 8.3 18 13.8 6.8 19 11.7 5.5 (b) On July 18, 2pm- After 4 rise Fig. 5. Spread degree of air pollutant on July 18, at 2 pm. (7 월 18 일 ) 한대기오염물질의오염도평가를실시한결과, 0 시부터 10 시까지는오염도감소면적이증가면적에비해많 은비율을차지하였다. 하지만오전 12 시부터오염도가증가 한면적이더많아지기시작하면서 14 시에는전체면적 ( 모델링 영역 ) 의 34.1% 가오염도증가면적으로분석되었다 (Table 4) (Fig. 6). 2050 년의 RCP 8.5 시나리오를바탕으로겨울철기온상승 예측치인 2.3 를적용할경우, 대기오염물질의확산범위가 넓어지는것으로나타났다. 대기오염물질은겨울철분석기간 20 11.0 5.7 21 11.3 5.6 22 9.9 7.3 23 10.0 6.2 인 1월 16일의경우 Fig. 7과같이성남방향인남동쪽으로확 산됐다. 기온상승에따른확산변화를알아본결과, 2050년의 동일한일자에기온이 2.3 상승할경우, 8시부터 16시까지 확산범위가변화한것으로분석되었다. 확산의범위는여름철과유사하게 0.001 μg/m 3 이하 ( 노란 색 ) 구간의변화가가장크게나타났으며, 0.01 1 μg/m 3 이상 범위에서도확산되는넓이가달라지는것으로분석되었다. 또 한, 여름철의분석결과보다는 1 μg/m 3 이상의범위의확산정 Journal of Climate Change Research 2017, Vol. 8, No. 2
CALPUFF 모텔을이용한기후변화에따른일산화탄소의대기오염영향분석 87 Fig. 6. Increase and reduction area of air pollution level on July 18, at 2 pm. (a) On January 16, 10am- Before the temperature rise 도가조금더큰폭의변화를보였으며, 이는여름철에비해겨울철의대기오염물질의확산이잘이루어지지않는것으로판단할수있다. 대기오염물질은온도상승전에비해온도를 2.3 상승시남동 ( 경기도성남시 ) 과동남 ( 경기도하남시 ) 방향으로배출돼넓게확산되는것으로나타났다. 이에따라 2050년의기온상승예측기온인 2.3 를적용한 1월 16일의대기오염물질확산정도변화에따른대기오염도의증가및감소평가를실시한결과, 여름철의결과와달리 2시, 7시, 18 21 시, 23시를제외하고, 대기오염도가증가하는면적이넓어지는결과가나타났다. 오전 8시부터오염도가증가한면적이오염도감소면적보다더커지기시작하면서 10시에는전체면적 ( 모델링영역 ) 의 14.1% 가오염도증가면적으로분석되었다 (Table 5) (Fig. 6). (b) On Januart 16, 10am- After 2.3 rise Fig. 7. Spread degree of air pollutant on January 16, at 10 am. 4. 결과및고찰 본연구에서는대기오염물질의배출량이동일한상태에서기온상승에따른오염물질의확산범위변화와이에따른대기질의오염도평가를실시했다. 기존의기상자료에기온을상승시킨 CALMET( 기상모델 ) 모델링결과에서는풍향및풍속의변화는없었으나, 기온상승시혼합고가높아지는결과가도출되었다. 이는기온상승은혼합고를상승시키고, 혼합고의상승으로대기오염물질의확산이더넓은범위까지이루 어진다고판단할수있다. CALPUFF( 대기확산모델 ) 모델링을통한여름과겨울철의대기오염물질의확산변화를분석한결과, 여름과겨울의대기오염물질의시간대별확산변화가다른것으로나타났다. 여름의경우, 4 의기온상승을적용하기전과후를비교하였을때, 0시부터 9시의대기오염확산의큰변화가없었으나, 10시부터 23시까지기온상승에따른확산범위가넓어지는것으로분석되었다. 확산범위의변화가미미했던시간대는일출및일몰의전과후로일사량이적은시간대이고, 10시부터 http://www.ekscc.re.kr
88 하민진 이태경 이임학 전의찬 Table 5. Increase and reduction area ratio of air pollution level in the modeling area in winter Time Increase area ratio of air pollution level (%) Decrease area ratio of air pollution level (%) 0 7.7 5.1 1 6.7 5.7 2 4.1 7.5 3 7.2 6.2 4 8.7 4.7 5 10.0 6.9 6 9.5 3.6 7 4.6 4.8 8 7.0 3.7 9 7.3 4.8 10 14.1 0.6 11 13.7 0.7 12 12.4 0.1 13 11.1 1.7 14 12.3 0.1 15 12.4 1.6 16 8.3 4.7 17 5.9 7.9 18 5.5 8.6 19 8.1 10.7 20 8.3 7.2 21 4.9 7.1 22 11.9 5.2 23 5.6 7.8 19시까지는일사량이높아져태양복사량이증가하여지면과 인접한대류권의공기가데워진영향으로대기오염물질의확 산이잘일어난것으로사료된다. 겨울철의경우, 2050년의기 온상승예측치인 2.3 를적용하여분석한결과, 여름철과달 리 8시부터 16시까지확산범위가변화한것으로분석되었고, 이는겨울철의일출과일몰시간대가여름과는다르기때문 인것으로사료된다. 혼합고가증가함에따라대기오염물질의확산범위가넓어 Fig. 8. Increase and reduction area of air pollution level on January 16, at 10 am. 진다는분석결과를바탕으로기온상승에따른대기질의오 염도를평가한결과, 시간대별로일사량이증가한시간대인 10 시부터대기오염도가증가면적의비율이높아지는것으로 나타났으며, 일별로대기오염도의증가 / 감소비율을분석한 결과, 설정한분석기간의대기오염도가증가한면적이감소한 면적의비율에비해높은비율을차지하는것으로나타났다. 이는기온이상승해동일한농도의대기오염물질이배출될경 우, 더넓은범위로오염물질이이동하고, 대기질의오염도증 가한다고판단할수있다. 또한, 일사량이증가한시간대는일 출전과일몰후의대기질에비해대기질의오염도가높아진 다고해석될수있다. 본연구의결과를통해기후변화로인해기온이상승할경 우, 대기오염물질이더넓은범위로확산되고, 대기질오염도 증가한다는것을확인했다. 향후과제로는분석대상항목을늘 려일반대기오염물질과온실가스 (CO 2, CH 4, N 2 O, HFC, PFC, SF 6 ) 의상관관계분석, 확산에따른인체영향등, 종합적인연 구가필요하다. REFERENCES Do SH, Lee CK, Ahn SY, Choi SW. 2008. Odor impact asse- ssment in west Daegu/Daegu dyeing industrial complex using CALPUFF model. Korean Society of Odor Research and Engineering 2008(11). Journal of Climate Change Research 2017, Vol. 8, No. 2
CALPUFF 모텔을이용한기후변화에따른일산화탄소의대기오염영향분석 89 Do SH. 2010. Air quality and health risk assessment for the city of Daegu using CALPUFF diffusion model. Kye Myoung University. Kim DR, Lee JB, Moon KJ, Song CK, Yoo JA, Choi WJ, Hong YD. 2010. Characteristics of ozone concentration to climate change. KOSAE. Kim HN. 2014. Assessment of urban area CO 2 concentrations using the atmospheric dispersion model for micro areas. Sejong University. Kim JC, Lee JB. 2006. Simulation of NOx diffusion emitted from large point source in Donghae city using CAL- PUFF dispersion model. Korean Society for Atmospheric Environment. Proceeding of the 41 st Meeting of KOSAE (2006). pp 259-260. Kim JC, Lee JB. 2008. Estimation of air pollution concentration in the Seoul metropolitan area CALPUFF model for long term. Korean Society for Atmospheric Environment. Proceeding of the 46 th Meeting of KOSAE(2008). pp 229-230. Ko KJ, Koo YS. 2008. An evaluation of CALMET modeling according to input meteorological condition. Korean Society for Atmospheric Environment. Proceeding of the 47 th Meeting of KOSAE(2008). pp 404-405. Kwak BK, Kim JH, Jeon WJ, Shin CB, Lee SW, Park HS, Lee JH. 2007. Simulation of benzene concentration bet- ween cities in Seoul metropolitan area using CALPUFF with fine grid resolution. The 2007 Environmental Societies Joint Conference. pp 339-340. Lee JB, Ham HJ, Kim JC. 2011. CALPUFF model air quality simulation of metropolitan area using CAPSS emission. Korean Society for Atmospheric Environment(2001) 2011 (10). Ma YI, Kim YJ, Park YJ, Kim JC, Sum WY. 2004. Estimation and evaluation of contribution between cities in Seoul metropolitan area using CALPUFF and the ratio between emission and concentration. Proceeding of the 38 th Meeting of KOSAE(2004). pp 82-83. Moon NK, Hong SY, Lee YS, Park RJ, Kim JW, Im KS. 2009. The impact of climate change on regional scale air quality( ). Korea Environment Institute. Park JM. 2010. The sensitivity assessment for the air pollution concentrations by climate change: Focusing on temperature and emission rate. Seoul National University. Sung MA. 2006. Numerical simulation on the impact to air pollutants dispersion of the change of meteorological condition due to urbanization in Daegu. Kye Myoung University. Yoon HY. 2002. An evaluation of the CALPUFF model and ISCST3 model by the tracer field experiments. An Yang University. http://www.ekscc.re.kr