Jour. Korean Earth Science Society, v., no. 6, p. 469 480, October 2012 http://dx.doi.org/10.5467/jkess.2012..6.469 시 공간적풍계에따른부산지역고농도 PM 2.5 의일변화특성 김부경 1 이동인 2, * 김정창 이준호 1 부경대학교지구환경공학연협동과정, 608-77, 부산광역시남구용소로 45 2 부경대학교환경대기과학과, 608-77, 부산광역시남구용소로 45 부경대학교선박실습운영센터, 608-77, 부산광역시남구용소로 45 Characteristics of Diurnal Variation of High PM 2.5 Concentration by Spatio-Temporal Wind System in Busan, Korea Bu-kyung Kim 1, Dong-In Lee 2, *, Jeong-Chang Kim, and Jun-Ho Lee 1 Interdisciplinary Program of Earth Environmental Engineering, Pukyong National University, Busan 608-77, Korea 2 Department of Environmental Atmospheric Sciences, Pukyong National University, Busan 608-77, Korea Training Ship Administrative Center, Pukyong National University, Busan 608-77, Korea Abstract: This study was to analyze the characteristics of diurnal variation of high PM 2.5 concentration, PM 2.5/PM 10 concentration ratio by spatio-temporal wind system (wind speed and wind direction) for high PM 2.5 concentration (over the 24 hr environmental standard of PM 2.5, 50 µg/m ) in the air quality observation sites (Jangrimdong: Industrial area, Jwadong: Residential area) that were measured for years (2005. 12. 1-2008. 11. 0) in Busan. The observation days of high PM 2.5 concentration were 182 at Jangrimdong and 27 at Jwadong. The seasonal diurnal variation of hourly mean of high PM 2.5 concentration and of PM 2.5/PM 10 concentration ratio showed a similar pattern that had higher variation at dawn, and night and in the morning than in the afternoon. Durning daytime in summer at Jwadong, the PM 2.5/PM 10 concentration ratio increased because a secondary particulate matter, which was created by photochemical reaction, decreased the coarse particles of PM 10 more than the fine particles of PM 2.5 concentrations in ocean condition. We did an analysis of spatio-temporal wind system (wind speed range and wind direction) in each time zone. The result showed that high PM 2.5 concentration at Jangrimdong occurred due to the congestion of pollutants emissions from the industrial complex in Jangrimdong area and the transportation of pollutants from places nearby Jangrimdong. It also showed that high PM 2.5 concentration occurred at Jwadong because of a number of local residential and commercial activities that caused the congestion of pollutants. Keywords: high PM 2.5 concentration cases, diurnal variation, PM 2.5 concentration, PM 2.5/PM 10 concentration ratio, spatiotemporal wind system 요약 : 본연구는 년 (2005. 12. 1-2008. 11. 0) 동안부산의 PM 2.5 대기오염자동관측소 ( 장림동 : 공업지역, 좌동 : 주거지역 ) 측정자료중고농도 PM 2.5(24시간환경기준 50 µg/m ) 에대한 PM 2.5 및 PM 2.5/PM 10 농도비의일변화특성과함께시 공간적풍계 ( 풍향및풍속 ) 에따른특성을분석하고자하였다. 고농도 PM 2.5 는장림동과좌동각각 182일및 27일이었다. 장림동에서고농도 PM 2.5 의시간평균농도및 PM 2.5/PM 10 농도비의일변화는모든계절에서오후에비해새벽과오전및야간에높은비슷한패턴을나타내었다. 좌동의여름주간에 PM 2.5/PM 10 농도비가증가하는것은해양조건에서광화학반응에의해생성되는이차입자상물질중 PM 10 의거대입자농도가미세입자인 PM 2.5 농도보다더감소하기때문이다. 시간대별로시 공간적풍계 ( 풍향및풍속등급 ) 특성을분석하였다. 그결과, 고농도 PM 2.5 는장림동에서공업단지의산업활동에의한오염물질정체와주변지역의오염물질이동에의해발생되었다. 좌동에서는주로주거와상업활동으로인한지역적오염물질정체로발생하는것으로나타났다. 주요어 : 고농도 PM 2.5 사례, 일변화, PM 2.5 농도, PM 2.5/PM 10 농도비, 시 공간적풍계 *Corresponding author: leedi@pknu.ac.kr *Tel: +82-51-629-669 *Fax: +82-51-625-2665
470 김부경 이동인 김정창 이준호 서 론 대기오염물질중입자상물질은입경분포의크기에따라직경 10 µm 이하인 PM 10 과직경 2.5 µm 이하인 PM 2.5 로구분된다. 직경 2.5 µm 이상의거대입자 (coarse particles) 는도로상, 노천광, 불특정오염원, 농업활동등주로자연적발생원의기여도가높아 1 차오염물질 (primary pollutants) 이주를이룬다. 직경 2.5 µm 이하의미세입자 (fine particles) 는자동차, 트럭, 버스와같은이동오염원과화학적공정등과같은고정오염원등인위적인발생원에의한기여도가높다. 인위적인발생원에서배출되는오염물질은대부분기체상 (gas phase) 으로대기중에서광화학작용등에의해입자로전환된후대기중에부유하는 2 차오염물질 (secondary pollutants) 이주를이룬다 (Hernandez and Valero, 1992). 선진국에서는 PM 2.5 에대한대기환경기준을마련하고, 대기중 PM 2.5 의오염원확인및기여도평가등을통하여 PM 2.5 제어를위한각종대기환경정책을개발하고이행하는데주력하고있다 ( 황인조외, 2008). 우리나라의경우현재 PM 10 에관한기준 ( 연간 50 µg/m, 24 시간 100 µg/m ) 이시행되고있고, PM 2.5 는 2011 년에기준 ( 연간 25 µg/m, 24 시간 50 µg/m ) 이마련되어 2015 년시행될예정이다 ( 환경부, 2010). 현재까지 PM 2.5 에관한연구는주로 PM 2.5 농도와입자광산란 (Chow et al., 2002), 입경별크기및지역적변이 (Labban et al., 2004), 탄소입자의화학적특성 (Li et al., 2008) 과이온성분 (Chow et al., 2007) 등 PM 2.5 의성분및물리 화학적특성에대한연구와샘플러를통해 24 시간이상채집하여이온성분및중금속성분등을분석한연구 ( 김춘선외, 1998; 전보경외, 2000; 최금찬외, 2000; 전보경외, 2001; 김기현외, 2004; 박기형외, 2004) 들이있다. 그러나대도시에서발생하는미세먼지농도는지역의배출원종류및계절에따른연료사용량의변화, 일일주기로일어나는오염원, 미기상학적인변동등의영향을크게받는다 ( 박기형과권오열, 2006). 미세먼지농도를지배하는요인으로는배출원이외에도기상현상이중요하기때문에 ( 신찬기외, 1992), 도시지역의대기질을지배하는기상요소들이오염특성을해석하는데중요한정보로제공되어져왔다 ( 이화운외, 1999; 김지아외, 2007; 신문기외, 2007). 환경정책기본법에규정되어있는대기환경기준은 대기오염물질에대해환경오염의허용한도를나타내는것으로도시대기질평가에중요한요소로이용된다. PM 2.5 의 24 시간대기환경기준은시간별농도자료를평균하여판단하므로특정시간대의농도가대기환경기준초과여부를결정하는지를조사하기위하여시간별농도자료의일변화특성을분석할필요성이있다. 그리고지역적배출원뿐만아니라주위배출원의오염물질이동으로 PM 2.5 농도의일변화특성에영향을미치는기상요소에대한연구가필요하다. 그러나기상요소를이용하여고농도 PM 2.5 의시 공간적특성을측정소단위로구체적으로연구한예는거의없는실정이다. 전병일 (2010) 은현재부산의대기오염측정망 19 개소 ( 도시대기질 17 개소및도로변 2 개소 ) 중 4 개소의 PM 2.5 측정소에서연산동지점을제외한 지점 ( 장림동, 기장읍및좌동 ) 에대해 PM 2.5 농도의시간및공간적특성을연구하였다. 황인조외 (2008) 와이형우외 (2009) 는 CPF (Conditional Probability Function) 방법 (Kim and Hopke, 2004; Hwang and Hopke, 2006) 을통해 PM 2.5 의시료채취지점에서측정된농도를각시료채취기간의풍향을고려하여오염원의잠재적인위치를추정하였고, 최봉옥외 (2006) 는풍향별오염농도변화와바람장미를합성한오염장미를이용하여발생원기여도평가연구를하였다. 그러나이들연구에서는일정기간오염물질농도와풍향및풍속이고려되었을뿐, 시간변화를담아내지는못하고있다. 부산과같은대도시에서는오염물질의직접적인배출과관련된배출원중차량및철도등이동배출원의경우출퇴근시간대에급증하고, 주거, 상업및공업지역등의고정배출원은이용및가동시간대에따라배출량이변화한다. 또한배출된오염물질은주 야간기온과국지순환풍 ( 해륙풍 ) 의변화로인해정체또는확산되어시간에따라농도가변화한다. 그러므로일정기간풍향및풍속으로발생원추정또는기여도를연구하기보다는시간대별로변화하는풍계 (wind system) 특성을고려한입체적인연구가필요하다. 이러한배경에서, 본연구에서는부산지역 PM 2.5 측정소의시간별농도측정자료를이용하여 PM 2.5 대기환경기준 (24 시간기준 50 µg/m ) 을초과한날을고농도사례로선정하고, 지점별고농도 PM 2.5 및 PM 2.5/PM 10 농도비일변화특성과함께기상관측자료 ( 풍향및풍속 ) 을이용한고농도 PM 2.5 의시 공간
시 공간적풍계에따른부산지역고농도 PM 2.5 의일변화특성 471 Fig. 1. PM 2.5 observation sites ( ) and AWS (Auto Weather System) stations ( ) in Busan. 적풍계 (wind system) 특성을조사해보았다. 자료및분석방법 부산지역의 PM 2.5 측정소 4 개소 ( 장림동, 연산동, 기장읍및좌동 ) 는용도지역상공업지역인장림동, 주거지역인연산동과기장읍및좌동으로구분된다. 본연구에서는공업단지가있는부산서부남단의장림동과대단위공동주택이밀집되어있는동부의좌동을선정하여 Fig. 1 에나타내었다. 연산동은관측오류로인해자료를신뢰할수없어제외하였다 ( 전병일, 2010). 분석자료는 2005 년 12 월 1 일부터 2008 년 11 월 0 일 ( 년간 ) 까지부산지역의기상청관측자료중강수와황사가관측된날을분석에서제외한 PM 2.5 측정소 ( 장림동및좌동 ) 의시간별농도측정자료중 1 일 18 시간 (75%) 이상관측된날의자료를일평균농도산정을위한유효분석자료로이용하였다. 고농도사례는현재 β 선흡수법 (β -ray absorption method) 으로측정하고있는대기오염자동측정망의 PM 2.5 시간별농도측정자료중일평균농도유효분석자료의 99 백분위수가 24 시간기준 50 µg/m 을초과하는날을선정하였다 ( 환경부, 2010). 기상자료는각측정소의 PM 2.5 농도측정자료와함께대기오염자동측정망 에서관측된기상자료를이용하여야하지만, 현재대기오염자동측정망의기상관측자료는관측기기의유지및보수등관리상의문제로제공되지않아본연구에서는시 공간적풍계특성분석을위해기상청의기상관측자료를이용하였다. 부산의경우부산지방기상대 (159) 가부산지역의기상특성을대표한다고하지만국지적특성이강하게나타나는바람 ( 풍향, 풍속 ) 자료를부산의모든지역에적용한다면모두같은풍계를나타나게되므로측정소가위치한지역의풍계특성이반영될수없다. 이화운외 (2006) 는부산지방기상대및 AWS 기상관측자료를이용하여부산지역의바람권역을구분하였고, 그결과, PM 2.5 측정소가위치한장림동및좌동은각각서구와수정동을중심으로한동구일부지역및수영구와해운대구권역으로분류되었다. 따라서, 본연구에서기상관측자료는측정소가위치한지역의국지적특성을반영하고자이화운외 (2006) 의바람권역구분에따라장림동은부산지방기상대 (159), 좌동은해운대 (97) 의기상관측자료중풍향과풍속의시간별관측자료 ( 매시정각전 10 분간평균치 ) 를이용하였다. 좌동 AWS 의경우지역대표성에대한과학적검증은수행되지않았으나, 기상청의기상측기설치기준에적합한위치에설치되어있고관측환경매뉴얼을만족하고있다 ( 김민경외, 2009).
472 김부경 이동인 김정창 이준호 Table 1. The numbers of seasonal high PM 2.5 concentration cases (the exceeded over 50 µg/m which is 24 hr environmental standard concentration) at Jangrimdong and Jwadong from Dec. 1, 2005 to Nov. 0, 2008 Observation day total spring summer autumn winter Jangrimdong 182 45 2 40 65 Jwadong 27 8 5 7 7 Table 2. Hourly mean concentration and standard deviation in seasonal high PM 2.5 concentration cases at Jangrimdong and Jwadong Mean±SD (µg/m ) annual spring summer autumn winter Jangrimdong 70.0±26.7 64.2±21.7 68.8±29.0 7.5±29. 72.±26. Jwadong 61.2±17.2 54.6±15.4 58.5±16.0 68.±18.6 62.8±15. 결과및고찰 고농도 PM 2.5 현황 Table 1에서장림동과좌동에서의고농도 PM 2.5 발생횟수는장림동 182일과좌동 27일로나타났고, 계절별로는장림동에서겨울에 65일과좌동에서봄에 8일로가장많았다. Table 2에서장림동에서연간및계절별평균농도는 70.0 µg/m 및 64.2-7.5 µg/m, 좌동에서는 61.2 µg/m 및 54.6-68. µg/m 으로장림동과좌동모두가을에가장높았다. 전병일 (2010) 의연구에서는분석기간전체를평균하여연간및계절별로장림동과좌동에서각각 9.6 µg/m 및 4.6-46.8 µg/m 과 21.7 µg/m 및 19.-25.0 µg/m 으로나타났으며, 분석기간중고농도사례를선정하여평균한 Table 2와비교하여연간및계절별로장림동에서약 0 µg/m 과좌동에서약 0-40 µg/m 차이가났다. 고농도 PM 2.5 및 PM 2.5/PM 10 농도비일변화특성고농도 PM 2.5 의시간별농도측정자료를시간별로평균한농도와 PM 2.5 /PM 10 농도비의하루중시간별변동특성을계절별로 Fig. 2에나타내었다. PM 10 은직경 2.5 µm를기준으로미세입자와거대입자로구성되어있으므로고농도 PM 2.5 와함께 PM 2.5/PM 10 의농도비를분석함으로써지역적특성에따라자연적배출또는인위적배출영향을파악할수있다. 장림동에서고농도 PM 2.5 의시간별평균농도일변화에서계절별로최고및최저농도가나타난시각은각각봄의오전 (06-12시 ) 11시에 80 µg/m 과야간 (19-24시 ) 7시에 50 µg/m, 여름의오전 6시에 90 µg/m 및오후 (1-18시 ) 5시에 50 µg/m, 가을의새벽 (01 06시 ) 1시에 88 µg/m 및오후 5시에 55 µg/ m, 겨울의오전 11 시에 90 µg/m 및오후 5 시에 47 µg/m 으로나타났다. 일변화변동폭이가장큰계절은여름으로 40 µg/m 이상차이가났다. 일변화패턴은계절에상관없이새벽과주간오전에농도가높고, 주간오후에낮아지지만야간에다시높아지는양상을나타내었다. 전병일 (2010) 의연구와비교하여전체적인일변화패턴은비슷하지만각계절별로시간별농도변화가다르게나타났다. 본연구에서장림동은공업단지가형성되어있으므로오염물질의배출과이에따른농도가높을것으로예상되는지역으로, 산업활동에의한오염물질배출로인해기온과풍속이낮은새벽에정체효과로농도가높고출근시간대교통량증대로인해농도가보다증가하였다. 그러나일출이후에는기온상승으로인한대기의불안정과오후에기온및대기혼합고가최대가되어활발한대기확산의영향으로농도가감소되는것으로판단된다. 겨울에농도가자정부터오전 8 시까지 70 µg/m 을유지하다가 11 시에최고농도 90 µg/m 까지증가하는것은다른계절과달리일출시간이늦어져기온상승으로인한대기불안정효과가지연되고, 겨울의낮은기온으로인해풍속이상대적으로증가하지못하기때문에새벽의농도와출근시간대자동차에서배출된오염물질의확산이지체되는것으로판단된다. 변동폭이크지만일정한패턴을나타내고있는장림동과달리주거지역인좌동에서일변화특성은전병일 (2010) 의연구에서는분석기간전체를평균하여변동폭이아주적고일정하게분포하였지만, 본연구에서는 Table 1 에서고농도사례가장림동보다적어계절별로각각다르게나타났다. 봄에는대부분 60 µg/m 이하로오후 1 시에최저 42 µg/m 이었고, 여름에는 50-65 µg/m 사이에분포하였다. 가을에는야간
시 공간적풍계에따른부산지역고농도 PM 2.5 의일변화특성 47 Fig. 2. Diurnal variations of the PM 2.5 concentration and PM 2.5/PM 10 concentration rate in seasonal high PM 2.5 concentration cases at Jangrimdong and Jwadong. 6 시까지 70 µg/m 이하였으나야간 9 시에최고 88 µg/m 으로높았다가다시낮아졌고, 겨울에는 55-75 µg/m 사이에분포하고있다. 봄에주간과가을에야간및겨울에오전의변동폭이약 20 µg/m 로나타났지만여름에는큰변동폭없었고, 봄을제외하고최소 50 µg/m 이상으로분포하고있다. 고농도 PM 2.5 의시간별 PM 2.5/PM 10 농도비일변화에서장림동은고농도 PM 2.5 의시간별평균농도일변화패턴과유사하게새벽과야간에높고주간에낮은형태를나타내었으며, 여름 > 겨울 > 봄 > 가을순으로계절별로일정한비율로유지되었다. 오전 8-11 시및오후 6 시에서야간 8 시까지출근및퇴근시간대를제외하고농도비가일정하게유지되고있어 PM 2.5 농도변화와함께 PM 10 농도가시간에따라같은비율로변화한다는것으로출퇴근시간대를제외하고공업지역의특성상산업활동에의한배출원영향과이에따른농도기여가높은것으로판단된다. 오전에고농도 PM 2.5 평균농도의피크는봄과여름에는오전 9 시와가을및겨울에는 11 시에나타나지만, 농도비일변화는새벽부터오전 8 시까지일정한농도 비를유지하다가낮아졌다. 전병일 (2010) 의연구에서 PM 10 농도가오전 8시부터상승하여 10시에피크를보이고하락하는경향과비교하였을때, 오전 8시까지 PM 2.5 및 PM 10 농도의시간별비율이일정하게유지되지만오전출근시간대인 8-9시경에풍속의증가와차량통행량이늘어나면서국지적난류효과가증가하여지면에침착되었던 PM 10 의재비산을일으켜농도비가낮아지는것으로판단된다 ( 국립환경과학원, 2009). 좌동에서는봄과가을및겨울에농도비가계속낮아지다야간 6시이후높아졌고, 봄에는계속낮아지는양상을나타내었다. 여름에는계절중농도비가가장높았고오전에상승하여오후 4시에최고 0.8이었으나이후낮아져야간 9시에 0.7 이하로나타났다. 좌동에서여름에농도비가다른계절의패턴과상이하고, 배출원의농도기여가높은장림동과달리야간에낮고주간에높은것은이차입자상물질전환과연관이있다. 박기형외 (2004) 의연구에서는해양조건에서의이차입자상물질전환중 NO 2 와 HNO 등의가스상질소산화물과조대영역에있는
474 김부경 이동인 김정창 이준호 염기성해염입자가서로반응하고 PM 2.5 의주요성분인 NO - 는조대입자영역에해당하는것으로알려져있기때문에조대영역에해당하는토양입자의농도가높을때에기체상질소산화물과토양입자사이의반응에의해 NO 는조대입자영역에출현하게된다고하였다. 반면질산염이 25 이상의온도에서가스상물질로휘산이일어나기때문에조대영역에있는염기성해염입자및토양입자와의반응이적게일어난다고하였다. 그러므로해양에인접한좌동에서는여름에주간의높은기온으로인해상대적으로미세입자인 PM 2.5 농도가 PM 10 의거대입자농도보다더증가하는것으로판단된다. 고농도 PM 2.5 의시 공간적풍계특성일반적으로도시및지역규모에서대기오염물질의시 공간적분포특성은지리 지형적위치, 배출원환경및기상조건에따라큰영향을받게된다. 국지배출량이많은대도시의경우큰변동폭의시계열특성을나타낸다 (Mayer, 1999). Fig. 2 와같이장림동과좌동에서일변화패턴은오염물질배출량과함께기상요소의영향으로서로다른양상을나타내고있다. 배출량을제외하고고농도 PM 2.5 에대한기상요소 ( 풍향및풍속 ) 의영향을알아보기위해시 공간적풍계변동특성을분석하였다. Fig. 은고농도 PM 2.5 의 16 방위별풍향빈도일변화를계절별로전체빈도수에대한백분율 (%) 로나타낸것이다. 장림동에서는봄과여름의주간에남풍과남서풍계열의빈도가집중되었고, 야간에는북동풍과북서풍계열의빈도가나타났다. 가을과겨울에는새벽과야간에북동풍과북서풍계열의빈도가집중되었으며, 주간에남서풍과남동풍계열의빈도가나타났다. 좌동에서는장림동에서처럼끊어지지않고연결되면서특정시간에집중적으로나타나는특징과달리산재되어흩어져나타나는특징을가지고있다. 봄과여름에남동풍과남서풍계열이주간에집중적으로모든시간에나타났으며, 가을새벽과야간에북서풍, 주간에남동풍과남서풍계열이나타났다. 겨울에는북서풍과남서풍계열이새벽과야간에집중적으로모든시간에나타났다. 계절별풍향빈도의일변화특성으로장림동과좌동에서고농도유발원인에대해분석한결과, 장림동에서는공업지역자체의배출원뿐만아니라, 봄과여 름주간및야간에남풍계열의바람이해양의자연적배출원및항구를이용하는선박과장림동남서쪽에위치한산업단지의인위적배출원의오염물질을이동시킨다. 가을과겨울에는북서풍계열에의해장림동북서쪽의경작지에서발생하는자연적배출원과김해등지의공장들이배출하는인위적배출원의오염물질이동을유발하는것으로판단된다. 출현빈도율도장시간에걸쳐지속적으로나타나고있어외부오염물질이동의영향이있을것으로예상된다. 좌동에서는가을및겨울에북서풍계열의영향으로북서쪽내륙도심의주거와상업및이동배출원의오염물질이이동된다. 계절에상관없이남서풍과남동풍계열이나타나남동쪽해양의자연적배출원과남서쪽해안도심의주거와상업, 이동배출원및부두를이용하는선박과이동배출원의오염물질을이동시키는것으로판단된다. Table 은고농도 PM 2.5 에서기상요소중풍향및풍속의계절별특성을나타낸것이다. 본연구에서는고농도를유발하는특정오염원의위치를찾기보다수용점인측정소에서의개괄적인오염원을추정하고그영향을분석하고자 Fig. 의 16 방위별풍향빈도를 4 개 ( 북동풍 (NE), 남동풍 (SE), 남서풍 (SW) 및북서풍 (NW)) 로구분하여발생빈도와백분율 (%) 로나타내었다. 그결과, 지점들모두전체북서풍 (NW) 이가장많은빈도를나타내었으며, 계절별북서풍 (NW) 의빈도는장림동과좌동의겨울에가장많았다. 장림동에서봄에남서풍 (SW), 여름에남동풍 (SE) 및가을과겨울에북서풍 (NW) 의빈도가많았으며, 좌동에서는봄과여름에남서풍 (SW), 가을과겨울에북서풍 (NW) 의빈도가많았다. 평균풍속은장림동에서 2.-.2 m/s 로봄과가을에, 좌동에서는 1.2-2.0 m/s 로겨울과가을에최소및최대풍속이나타났다. Fig. 의풍향빈도일변화에서잠재적오염원의계절및시간적영향을알수있지만, 기상요소중오염물질의확산및정체등고농도발생에중요한역할을하는풍속을함께고려하여고농도발생을해석하고자하였다. 우리나라에서는아직풍속과관련하여등급을구분한내용은없으며, 미국 EPA 에서의풍속등급기준은 6 등급으로미국 29 개대도시의평균풍속 7m/s 를감안한자료이다 ( 강호근, 2010). 본연구에서는 개의풍속등급 (2 m/s 이하, 2-4 m/s, 4 m/s 초과 ) 으로구분 ( 강재수, 2008) 하여적용하였다. 2 m/s 이하풍속등급에서는오염물질이정체되어고농도가발생
시 공간적 풍계에 따른 부산지역 고농도 PM2.5의 일변화 특성 475 Fig.. Diurnal variations of the frequency distribution (%) of wind direction in seasonal ((a) spring, (b) summer, (c) autumn and (d) winter) high PM2.5 concentration cases at Jangrimdong and Jwadong. 할 수 있고, 2-4 m/s 풍속등급 및 4 m/s 초과 풍속등급 에서는 측정소 및 인접한 주변지역의 오염물질이 이 동되어 농도가 가중되거나 경감될 수 있다. 해안에 위치한 부산은 Fig. 의 풍향빈도 일변화 특성에서처럼 국지순환계(해륙풍) 영향으로 계절에 따라 시간대별로 풍향 특성이 달라지므로 24시간을 새벽(01-06시, I)과 오전(07-12시, II), 오후(1-18시, III) 및 야간(19-24시, IV)으로 구분하였다. 4개의 풍 향 및 개의 풍속등급으로 분류한 시간대별 누적농 도와 발생횟수로 평균농도를 구하여 고농도 PM2.5의 시 공간적 풍계 변화의 계절별 변동특성을 분석하였 다. Fig. 4는 장림동에서 풍속등급별 평균농도를 풍 향 및 시간대별로 나타낸 것이다. Fig. 4a에서 봄에 2 m/s 이하 풍속등급은 60-80 µg/m 사이에 분포하고, 2-4 m/s 풍속등급은 북서풍 (NW)에서 오후(III)에 최저 40 µg/m, 북동풍(NE)에 서 야간(IV)에 최고 100 µg/m 이었고, 이를 제외한 다른 풍향 및 시간대에서는 2 m/s 이하 풍속등급의
476 김부경 이동인 김정창 이준호 Table. A statistical frequencies of meteorological elements (wind speed and wind direction) in seasonal high PM 2.5 concentration cases at Jangrimdong and Jwadong Jangrimdong Jwadong *- : not observed mean wind speed (m/s) the number of wind direction frequency (%) NE SE SW NW total 2.6±1.6 896 (20.6) 741 (16.9) 1,267 (29.1) 1,464 (.5) spring.2±1.8 186 (4.) 220 (5.0) 470 (10.8) 204 (4.7) summer 2.4±1.5 175 (4.0) 246 (5.6) 228 (5.2) 119 (2.7) autumn 2.±1. 278 (6.4) 1 (.0) 195 (4.5) 54 (8.1) winter 2.6±1.6 257 (5.9) 142 (.) 74 (8.6) 787 (18.0) total 1.6±1.0 74 (11.5) 118 (18.2) 214 (.0) 242 (7.4) spring 1.7±0.8 27 (4.2) 58 (9.0) 65 (10.0) 42 (6.5) summer 1.5±1.1 -* 41 (6.) 54 (8.) 25 (.9) autumn 1.2±1.0 27 (4.2) 10 (1.5) 60 (9.) 71 (11.0) winter 2.0±1.2 20 (.1) 9 (1.4) 5 (5.4) 104 (16.0) 분포와비슷하였다. 4 m/s 초과풍속등급은북동풍 (NE) 및남동풍 (SE) 에서새벽 (Ⅰ) 과북서풍 (NW) 에서오후 (III) 에평균농도가나타나지않은것을제외하고 60-80 µg/m 사이에분포하였다. 북동풍 (NE) 에서야간 (IV) 에정체효과를나타내는 2m/s 이하및오염물질이동으로농도가증가또는감소될수있는 2-4 m/s 풍속등급이각각 80 µg/m 및 100 µg/m 으로나타나공업단지의산업활동에의해배출되는오염물질이정체되고, 2-4 m/s 풍속등급에서농도가감소되지않고증가하는것으로보아장림동북동쪽의공장과도심지의오염물질이이동하여농도가가중되는것으로판단된다. Fig. 4b에서여름에 2m/s 이하풍속등급은남동풍 (SE) 및북동풍 (NE) 에서오후 (III) 와야간 (IV) 에 60 µg/m 이하, 남서풍에서오전 (II) 에최고 100 µg/m 으로대부분 60-90 µg/m 사이에분포하였다. 2-4 m/s 풍속등급은북서풍 (NW) 과북동풍 (NW) 및남동풍 (SE) 에서새벽 (I) 에 100 µg/m 이상과북서풍 (NW) 에서오전 (II) 및야간 (IV), 남서풍 (SW) 에서새벽 (I) 과오전 (II) 에 80 µg/m 이상으로나타났다. 4 m/s 초과풍속등급은시간대별부분적으로나타나지않았고, 남동풍 (SE) 에서야간 (IV) 및남서풍 (SW) 에서새벽 (I) 과오전 (II) 에 80 µg/m 가까이나타났다. 북서풍 (NW) 을제외하고각풍향별로새벽 (I) 에는 2-4 m/s 풍속등급, 오전 (II) 에는 2m/s 이하풍속등급의평균농도가상대적으로높게나타나새벽에주변지역에서오염물질이이동하고오전에정체되는것으로나타났다. Fig. 4c에서가을에 2m/s 이하풍속등급은대부분 60-80 µg/m 사이에분포하고있으나, 북동풍 (NE) 에서오후 (III) 에최소 50 µg/m 및남동풍 (SE) 에 서야간 (IV) 에최고 110 µg/m 이상을나타내었다. 2-4 m/s 풍속등급은남동풍 (SE) 에서새벽 (I) 을제외하고 2m/s 이하풍속등급의분포와비슷하지만더낮았으나, 북동풍 (SE) 과남서풍 (SW) 에서새벽 (I) 과오전 (II) 에 80-100 µg/m 으로더높게나타났다. 4 m/s 초과풍속등급은북동풍 (NE) 에서새벽 (I) 과오전 (II) 에 100 µg/m 이상으로가장높았고, 남서풍 (SW) 에서야간 (IV) 에 90 µg/m 으로나타났다. 새벽 (I) 과오전 (II) 에 2m/s 이하풍속등급의정체효과와함께남동풍 (SE) 을제외하고북동풍 (NE) 과남서풍 (SW) 에서 2-4 m/s 및 4m/s 초과풍속등급에서오염물질이이동되어농도가가중되는것으로나타났다. Fig. 4d에서겨울에남서풍 (SW) 과북서풍 (NW) 에서각풍속등급은 60-80 µg/m 사이에분포하고, 남서풍 (SW) 에서새벽 (I) 과오전 (II) 및북서풍 (NW) 에서오전 (II) 에 4 m/s 초과풍속등급이 80 µg/m 이상으로약간높았다. 2m/s 이하풍속등급은대부분 60-80 µg/m 사이에분포하였다. 2-4 m/s 풍속등급은북동풍 (NE) 과남동풍 (SE) 에서오후 (III) 와야간 (IV) 에 60 µg/m 이하였으나, 남동풍 (SE) 에서새벽 (I) 과오전 (II) 에 100 µg/m 이상을나타내었다. 새벽 (I) 과오전 (II) 에 2m/s 이하풍속등급의정체효과와함께장림동남동쪽의항구를이용하는선박과차량등에서배출되는오염물질이 2-4 m/s 풍속등급에의해농도가가중되는것으로나타났다. Fig. 5는좌동에서풍속등급별평균농도를풍향및시간대별로나타낸것으로, 모든계절에서 4m/s 초과풍속등급은여름 (Fig. 5b) 에오전 (II) 과오후 (III) 를제외하고나타나지않았다.
시 공간적 풍계에 따른 부산지역 고농도 PM2.5의 일변화 특성 477 Fig. 4. The plot of wind system of the mean concentration in seasonal high PM2.5 concentration with the wind speed range (below 2 m/s, 2-4 m/s, over 4 m/s) and wind direction at each time zone (I: 01-06, II: 07-12, III: 1-18, IV: 19-24) at Jangrimdong. Fig. 5a에서 봄에 2 m/s 이하 풍속등급은 북서풍 (NW)에서 오후(III)에 나타나지 않았고, 북동풍(NE) 에서 새벽(I)에 최저 50 µg/m 이하 및 오후(III)에 최 고 90 µg/m 과 남서풍(SW)에서 새벽(I)에 90 µg/m 이상으로 나타났으며, 대부분 50-60 µg/m 사이에 분 포하였다. 2-4 m/s 풍속등급은 남서풍(SW)에서 오전 (II)과 오후(III) 및 야간(IV)에 60 µg/m 이상으로 2 m/s 이하 풍속등급 보다 높게 나타났고, 북동풍(NE) 에서 오후(III)에 2 m/s 이하 풍속등급과 마찬가지로 최고 90 µg/m 을 나타내었다. Fig. 5b에서 여름에 2 m/s 이하 풍속등급은 북동풍(NE)에서 나타나지 않았 고, 다른 풍향에서 50-70 µg/m 사이에 분포하였다.
478 김부경 이동인 김정창 이준호 Fig. 5. The plot of wind system of the mean concentration in seasonal high PM 2.5 concentration with the wind speed range (below 2 m/s, 2-4 m/s, over 4 m/s) and wind direction at each time zone (I: 01-06, II: 07-12, III: 1-18, IV: 19-24) at Jwadong. 2-4 m/s 풍속등급은북동풍 (NE) 과북서풍 (NW) 에서나타나지않았고, 남서풍 (SW) 에서새벽 (I) 에최저 40 µg/m 이하및남동풍 (SE) 과남서풍 (SW) 에서야간 (IV) 에최고 80 µg/m 으로나타났다. 4 m/s 초과풍속등급은남서풍 (SW) 에서오전 (II) 과오후 (III) 에각각 50 µg/m 및 70 µg/m 으로나타났다. Fig. 5c에서가 을에 2m/s 이하풍속등급은북동풍 (NE) 에서오후 (III) 와남동풍 (SE) 에서새벽 (I) 에나타나지않았고, 대부분 60-80 µg/m 사이에분포하였으며, 남서풍 (SW) 에서야간 (IV) 에최고 90 µg/m 이상을나타내었다. 2-4 m/s 풍속등급은북동풍 (NE) 과북서풍 (NW) 에서오전 (II) 과오후 (III) 및야간 (IV) 에각각 60-80 µg/m
시 공간적풍계에따른부산지역고농도 PM 2.5 의일변화특성 479 과 60-90 µg/m 으로나타났으며, 남서풍 (SW) 에서새벽 (I) 에최고 100 µg/m 과오전 (II) 과오후 (III) 에 60-70 µg/m 을나타내었다. Fig. 5d 에서겨울에 2m/s 이하풍속등급은남동풍 (SE) 에서야간 (Ⅳ) 에나타나지않았고, 북동풍 (NE) 에서오후 (III) 에최소 40 µg/m 을제외하고는대부분 60-70 µg/m 으로나타났다. 2-4 m/s 풍속등급은남서풍 (SW) 과북서풍 (NW) 에서 50-80 µg/m 사이에분포하고남동풍 (SE) 에서오전 (II) 과오후 (III) 에약 70 µg/m 으로나타났다. Fig. 4 에서 2m/s 이하및 2-4 m/s 풍속등급의평균농도가꾸준히나타나고 4m/s 초과풍속등급역시특정풍향및시간대를제외하고비슷한분포를나타내었다. 그러나 Fig. 5 에서 2m/s 이하풍속등급의평균농도는계절별로특정풍향의시간대를제외하고꾸준히나타나는반면, 2-4 m/s 풍속등급의평균농도분포는계절및시간대에따라불특정하게나타났다. 또한 4m/s 초과풍속등급은여름에남서풍 (SW) 의오전 (II) 과오후 (III) 를제외하고나타나지않아좌동에서고농도발생원인은장림동에서처럼주변지역의오염물질이이동되어가중되기보다는좌동에서배출된오염물질의정체효과가큰것으로나타났다. 결 론 부산지역대기오염자동측정망중공업지역인장림동과주거지역인좌동의최근 년간 (2005. 12. 1-2008. 11. 0) PM 2.5 시간농도측정자료를이용하여고농도 PM 2.5 의시간별 PM 2.5 농도및 PM 2.5/PM 10 농도비일변화특성과함께기상관측자료 ( 풍향및풍속 ) 을이용한고농도 PM 2.5 의시 공간적풍계특성을분석한결과는다음과같다. 1. 지역별 PM 2.5 고농도일은강수및황사발생일을제외하고장림동과좌동에서각각 182일과 27일로계절별로는장림동에서겨울에 65일및좌동에서봄에 8일로가장많이나타났다. 장림동에서연간및계절별평균농도는 70.0 µg/m 및 64.2-7.5 µg/m 이었으며, 좌동에서는 61.2 µg/m 및 54.6-68. µg/m 으로장림동과좌동에서모두가을에가장높은농도를나타내었다. 2. 고농도 PM 2.5 의시간대별평균농도일변화는장림동에서계절에상관없이새벽과오전및야간에높고오후에낮아지는일정한패턴을나타내었고, 좌동에서는장림동과달리계절별로일변화특성이서 로다르게나타났다.. PM 2.5 /PM 10 농도비일변화는장림동에서계절별로여름과겨울, 봄및가을순으로새벽과오전및야간에높고오후에낮아져평균농도일변화패턴과비슷하게시간에상관없이일정하게나타났다. 좌동에서는여름에계절중농도비가가장높게나타났으며, 주간에평균농도가증가하지않음에도불구하고농도비가증가하였다. 4. 고농도 PM 2.5 의시 공간적풍계특성을분석한결과, 장림동에서 2m/s 이하풍속등급의평균농도는전반적으로 60-80 µg/m 사이에분포하며고농도에기여하였고, 2-4 m/s 풍속등급은 2m/s 이하풍속등급과비슷한분포지만특정풍향의시간대에서더높은농도를나타내었다. 4 m/s 초과풍속등급은대부분 50 µg/m 이상으로나타났다. 좌동에서 2m/s 이하풍속등급은계절별로특정풍향의시간대를제외하고꾸준히나타나지만, 2-4 m/s 풍속등급은계절및시간대에따라불특정하게나타났다. 4 m/s 초과풍속등급은여름에남서풍 (SW) 의오전 (II) 과오후 (III) 를제외하고나타나지않았다. 장림동에서는공업단지의산업활동에의한오염물질정체효과와함께주변지역의오염물질이동되어고농도를유발하지만, 좌동에서는주변지역의오염물질이이동되어가중되기보다는좌동지역자체에서주거와상업및이동배출원의오염물질정체효과가큰것으로판단된다. 5. 측정소별고농도 PM 2.5 및 PM 2.5 /PM 10 농도비의일변화특성과용도지역및지리적환경에따른시 공간적풍계특성으로고농도 PM 2.5 의기상요소 ( 풍향및풍속 ) 영향을분석할수있었다. 본연구에서는기상청의기상관측자료를이용하였기때문에 PM 2.5 측정소에서기상요소의영향을정확하게분석할수없는한계가있다. 향후대기오염자동측정망에서신뢰할수있는기상관측자료를수집한다면부산지역측정소규모의고농도 PM 2.5 에대한기상요소의영향과예측및효율적인관리방안에더많은기여할수있을것이며, 풍향을세분한다면특정오염원에대해기존연구에서처럼공간적영향뿐만아니라시간적영향까지세밀히분석할수있을것이다. 또한일변화및풍계특성을분석한결과를토대로 PM 2.5 를특정시간대별로채집하여이온및중금속등성분분석을한다면지역배출원의특성과함께특정배출원의광역이동등시 공간적특성에대해자세히연구할수있을것이다.
480 김부경 이동인 김정창 이준호 감사의글 이연구는 2012 년도정부 ( 교육과학기술부 ) 의재원으로부터국제과학기술협력재단의지원 (No. K201200) 및기상청기상기술개발사업 (CATER 2012-2071) 의지원으로수행되었습니다. 참고문헌 강재수, 2008, 다판단요소를고려한최적도로노선선정방법론개발. 한양대학교교통공학과공학박사학위논문, 215 p. 강호근, 2010, GIS 기반도로노선의친환경성평가. 아주대학교환경공학과공학박사학위논문, 182 p. 김기현, 강창희, 최금찬, 김영준, 2004, 겨울철서울과부산지역의분진중이온분포의특성연구 : 미세와조대영경간의비교. 한국분석과학회지, 17, 20-29. 김민경, 이화운, 도우곤, 정우식, 2009, Envi-met 모델을이용한도심지역대기오염측정망주변의바람장분석. 한국환경과학화지, 18, 941-952. 김지아, 진형아, 김철희, 2007, 부산지역미세먼지농도의시간변동특성및기상인자분석을통한먼지생성해석. 한국환경과학회지, 16, 1157-1167. 김춘선, 최금찬, 고경숙, 임경택, 1998, 부산시대기중질산염의농도특성에관한연구. 한국환경위생학회지, 24, 2-7. 박기형, 권오열, 2006, 마산과전주지역의대기오염농도와기상인자의통계분석. 한국대기환경학회 2006 년도춘계학술대회논문집, p. 412-41. 박기형, 조정구, 전보경, 유수영, 최금찬, 2004, 부산인근해안지역에대한 PM2.5 미세입자의화학적성상및발생원추정. 건설 환경연구,, 29-9. 신문기, 이충대, 하현섭, 최춘석, 김용희, 2007, 기상인자가미세먼지농도에미치는영향. 한국대기환경학회지, 2, 22-1. 신찬기, 한진석, 김윤신, 1992, 대기오염농도와기상인자의관련성연구. 한국대기보전학회지, 8, 21-220. 안준영, 문광주, 김정수, 이민도, 이석조, 김현재, 전하은, 오준, 최진수, 박승명, 박종성, 이상욱, 조정구, 박기형, 이순진, 도화석, 이봉우, 하덕호, 하현섭, 유희종, 서광엽, 김승호, 박선호, 김도순, 2009, PM 2.5 물리 화학적특성에관한연구 (II). 국립환경과학원, NIER No. 2009-41- 1097, 142 p. 이형우, 이태정, 김동술, 2009, PMF 모델을이용한미세분진의오염원확인과기여도추정 : 탄소성분을이용한휘발유및경유차량오염원의분리. 한국대기환경학회지, 25, 75-89. 이화운, 김유근, 장난심, 이용희, 1999, 부산광역시에서의 NO 2 농도특성및기상영향인자분석. 한국환경과학회지, 8, 465-471. 이화운, 정우식, 임헌호, 이귀옥, 최현정, 지효은, 이현주, 성경희, 도우곤, 2006, 바람권역구분을통한부산지역국지바람분석 - Part I: 기상관측자료를이용한바람 권역대분류 -. 한국환경과학회지, 15, 85-846. 전병일, 2010, 부산지역 PM 10 과 PM 2.5 농도의시간및공간적변화특성. 한국환경과학회지, 19, 101-102. 전보경, 김창환, 최금찬, 2000, 부산지역 PM 2.5 와 PM 10 임자조성에관한연구. 한국대기환경학회 2000 년도춘계학술대회논문집, p. 14-144. 전보경, 서정민, 최금찬, 2001, 부산지역 PM 2.5 의이온및미량금속성분의화학적특성. 한국환경위생학회지, 27, 6-71. 최금찬, 유수영, 전보경, 2000, 부산지역의입자상대기오염물질의농도특성에관한연구. 한국환경위생학회지, 26, 41-48. 최봉옥, 정종현, 최원준, 손병현, 오광중, 2006, 오염원및기상조건에따른울산지역의고농도대기오염분포특성. 한국환경보건학회지, 2, 24-5. 환경부, 2010, 환경부공고제 2010-294 호. 황인조, 김동술, Hopke, P.K., 2008, 미국서부해안 IMPROVE 측정소에대한대기중 PM 2.5 의오염원기여도추정. 한국대기환경학회지, 24, 0-42. Chow, J.C., Watson, J.G., Lowenthal, D.H., and Richards, W., 2002, Comparability between PM2.5 and Particle Light Scattering Measurements. Environmental Monitoring and Assessment, 79, 29-45. Chow, J.C., Watson, J.G., Lowenthal, D.H., Park, K., Doraiswamy, P., Bowers, K., and Bode, R., 2007, Continuous and filter-based measurements of PM2.5 nitrate and sulfate at the Fresno Supersite. Environmental Monitoring and Assessment, 144, 179-189. Hernandez, E.F. and Valero, F., 1992, Ststistical forecast models for daily air particulateiron and lead concentration for Madrid, Spain. Atmospheric Environment, 26B, 107-116. Hwang, I.J. and Hopke, P.K., 2006, Comparison of source apportionments of fine particluate matter at two San Jose STN sites. Journal of the Air and Waste Management Association, 56, 1287-100. Kim, E. and Hopke, P.K., 2004, Comparison between conditional probability function and nonparametric regression for fine particle source directions. Atmospheric Environment, 8, 4667-467. Labban, R., Veranth, J.M., Chow, J.C., Engelbrecht, J.L.P., and Watson, J.G., 2004, Size and geographical variation in PM 1, PM 2.5 and PM 10: Source profiles from soils in the Western United States. Water, Air, and Soil Pollution, 157, 1-1. Li, X., Cao, J., Chow, J.C., Han, Y.M., Lee, S.C., and Watson, J., 2008, Chemical characteristics of carbonaceous aerosols during dust storms over Xi an in China. Advances in Atmospheric Sciences, 25, 847-855. Mayer, H., 1999, Air pollution in cities. Atmospheric Environment,, 4029-407. 2012 년 6 월 26 일접수 2012 년 8 월 24 일수정원고접수 2012 년 9 월 1 일채택