Current Status and Development of Modeling Techniques for Forecasting and Monitoring of Air Quality over East Asia
동아시아 대기질 예보 및 감시를 위한 모델링 기술의 현황과 발전 방향

Rae Seol Park, Kyung Man Han, Chul Han Song, Mi Eun Park, So Jin Lee, Song You Hong, Jhoon Kim, Jung-Hun Woo
2013 Journal of Korean Society for Atmospheric Environment  
Current status and future direction of air quality modeling for monitoring and forecasting air quality in East Asia were discussed in this paper. An integrated air quality modeling system, combining (1) emission processing and modeling, (2) meteorological model simulation, (3) chemistry-transport model (CTM) simulation, (4) ground-based and satellite-retrieved observations, and (5) data assimilation, was introduced. Also, the strategies for future development of the integrated air quality
more » ... d air quality modeling system in East Asia was discussed in this paper. In particular, it was emphasized that the successful use and development of the air quality modeling system should depend on the active applications of the data sets from incumbent and upcoming LEO/GEO (Low Earth Orbit/Geostationary Earth Orbit) satellites. This is particularly true, since Korea government successfully launched Geostationary Ocean Color Imager (GOCI) in June, 2010 and has another plan to launch Geostationary Environmental Monitoring Spectrometer (GEMS) in 2018, in order to monitor the air quality and emissions in/around the Korean peninsula as well as over East Asia. 1. 서 론 한반도를 포함한 동아시아 지역의 지속적인 경제 발전에 기인한 에너지 사용량의 증가는 대기 오염물 질 및 온실기체 배출량의 증가를 유발하여 왔다. 이 들 가스 및 입자상 물질은 시정악화(visibility degradation)는 물론, 기체상 및 입자상 물질의 배출/생성 을 통해 호흡기, 심혈관계 및 면역계 질환을 유발하 고 있는 것으로 알려져 있으며, 지역적 기상현상과 동반하여 지역규모 연무(regional haze) 형성, 미세먼 지의 장거리수송 및 인체위해성, 기후변화 등의 주요 환경문제를 야기하여 왔다(Wang et al., 2009; Pope and Dockery, 2006; Pöschl, 2005; Brankov et al., 2003; Holloway et al., 2003 Holloway et al., , 2002 . 특히, 최근 환경부가 발 표한 2010~2012년 연평균 초미세먼지 농도(PM 2.5 , 이들 물질은 폐 속 깊 이 침투 및 흡착되어 각종 염증 및 폐암을 유발하는 것으로 알려져 있다(Pope and Dockery, 2006; Pöschl, 2005). 초미세먼지가 인체에 미치는 심각한 영향으로 인해, 미세먼지 예방 및 최소화를 위한 살수 차량 운 영 및 전기차, CNG (압축천연가스, compressed natural gas) 버스 및 DPF (매연저감필터, diesel particulate filter) 부착 버스 등 친환경차 보급과 같은 대기환경 정책이 확대되고 있다. 한편, 인류의 삶의 목표가 단 순한 생계 유지에서 삶의 질의 향상으로 전환되는 과정에서 건강 및 삶의 질과 밀접하게 연관되는 기 후변화 및 대기질에 대한 국민들의 관심이 증대되었 으며, 이에 대한 구체적인 파악 및 판단이 절실하게 요구되었다. 따라서, 최근에는 대기질 연구가 단순한 규제를 목적으로 한 정책수립의 수단으로 사용되던 단계에서 벗어나, 생활 밀착형 정책으로의 전환을 위 한 대기질 예보기술의 개발 및 적용 등을 목적으로 점진적으로 발전하고 있는 추세이다. 이러한 대내외적인 요구에 부합한 보다 정밀한 대 기질 감시와 예측을 위해서는 정확한 4차원 대기질 자료의 산출이 요구된다. 이러한 노력의 일환으로 동 아시아 대기질을 이해하기 위해서 PEM-West A&B (Pacific Exploratory Mission-West A&B), ACE-Asia (Asian Pacific Regional Aerosol Characterization Experiment), TRACE-P (Transport and Chemical Evolution over the Pacific) 등의 다양한 지상•항공•선박관측 등의 국제적 campaign들이 이루어져 왔으며, 국내에 서는 국립환경과학원의 주도하에 다양한 목적에 부 합하는 대기질 측정망을 구성하려는 노력들이 있어 왔다. 이러한 관측 자료들은 정확성이 높다는 장점이 있지만, 시•공간적인 해상도가 매우 낮기 때문에 4 차원의 정밀한 대기질 감시 및 예측에 적합하지가 않다. 최근에는 이러한 관측의 한계를 극복하기 위해 서 위성을 통한 대기질 관측이 많이 활용되고 있는 추세이다(Kokhanovsky et al., 2006; Singh and Jacob, 2000; King et al., 1999). 특히, 저지구궤도(Low Earth Orbit, LEO) 위성의 제한된 활용에서 탈피하여, 최근 에는 정지궤도(Geostationary Earth Orbit, GEO) 위성 을 활용함으로써 시•공간적으로 보다 정밀한 대기 질 감시•관측이 가능하게 되었다. 국내에서는 2010 년에 통신해양기상위성인 COMS (Communication, Ocean and Meteorological Satellite)를 발사하였으며, COMS에는 GOCI (Geostationary Ocean Color Imager) 센서가 탑재되어 해색관측이라는 본래의 목적과 더 불어 동북아시아에서 에어로솔의 광학적 두께(Aerosol Optical Depth, AOD)의 시공간적 분포 자료를 현 재 생산하고 있다(Lee et al., 2010). 또한, 2018~2019 년에는 정지궤도 복합위성인 GEO-KOMPSAT 2A/2B (Geostationary Korea Multi-Purpose Satellite 2A/2B)가 발사 예정인데, GEO-KOMPSAT 2B에 탑재될 GOCI-II와 GEMS (Geostationary Environment Monitoring Spectrometer) 센서로부터 다양한 (동)아시아 대기오 염 자료들이 제공될 예정이다. 위성기술의 발달은 보 다 정확하며 시•공간적 해상도가 높은 대기질 자료 들을 제공함으로써 위성을 통한 대기질 감시•관측 의 유용성을 증가시킨다. 그러나, 위성으로부터 산출 된 자료는 위성산출 알고리즘에서 적용하는 다양한 가정들에 의한 오차, 구름 및 지표반사에 의한 관측 의 제한 및 연직분포 자료의 부재 등에 의해 여전히 4차원의 정밀한 대기질 감시를 위한 자료 제공에는 일정 부분 한계가 존재한다. 이러한 지상 및 위성 관 측의 한계점으로부터 보다 포괄적이고 정밀한 대기 질의 예측 및 감시를 위해서 대기질 모델(air quality 한국대기환경학회지 제 29 권 제4 호 408 박래설•한경만•송철한•박미은•이소진•홍성유•김 준•우정헌 model) 또는 화학수송 모델(chemistry-transport model) 을 활용하여 통합 모델링 시스템을 개발할 필요성이 제기되어 왔다. 대기질 모델링은 대기 중에서 오염물질의 이동, 확 산, 침적, 반응 등 물리•화학적 과정을 수치적 계산 을 통해 구현하는 일련의 과정과 결과를 포함하며, (1) 대기 환경의 물리적 현상을 이해하기 위한 3차원 기상모델링(3D-meteorological modeling), (2) 자연 및 인위적 오염물질에 대한 배출 목록(emission inventory) 및 배출 모델링(emission modeling), 그리고 (3) 기상 및 배출량 자료를 활용한 3차원 대기 화학수송 모델링으로 구성되어 있다. 본고에서는 이와 같은 시 스템을 "통합 대기질 모델링 시스템 (integrated air quality modeling system)"이라 명명하고, 그림 1에서 시스템의 구조 및 핵심 기술 요소 등을 제시하였다. 대기질 모델링은 모델링 기반의 대기질 정보를 예보 함으로써, 대기 유해물질에 따른 피해를 예상하고, 특 히, 취약계층에 대한 단계별 행동 수칙 등을 통해 신 속한 대응을 도모할 수 있다. 또한, 예보 자료의 장기 적 축적을 통해 지역별, 배출원별에 따른 중장기 대 기환경 정책 수립 및 정책의 사전 평가 등에도 활용 될 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 대기질 모델링은 배출장, 기상장, 초기 및 경계 조건의 불확실성과 모 델 자체의 물리적 및 화학적 모수화(parameterization) 에 있어서의 한계 등으로 인해 지상 및 위성관측과 비교하여 그 정확성은 낮다고 알려져 왔다(Han et al., 2009; Kinne et al., 2003). 따라서, 대기질 모델링 고유 기능의 장점을 극대화하기 위해서는 대기질 모델을 구성하는 각 구성 모듈의 성능 및 신뢰도가 보장되 어야 한다. 대기질 모델링의 각 구성 요소별 개선을 통해 대기질 모델링의 정확성은 지속적으로 개선되 어 왔지만, 여전히 그 정확성에서 일정 부분 한계를 보이고 있으며, 최근에는 각 종 지상 및 원격 측정망 자료 (화학 측정망 자료, 위성관측 자료, lidar 자료, sunphotometer 관측망 자료 등)를 활용한 차세대 대 기질 모델링 기술의 중요성이 부각되고 있다. 이미, 기상청에서는 기상모델, 위성자료 및 지상관측을 통 합한 단기 기상예보(NWP, numerical weather prediction 또는 physical weather forecast) 시스템을 현업에 활용 중이며(그림 6(a) 참조), 이에 부합하여 정밀한 대기질 감시 및 예보를 위한 차세대 대기질 모델링 시스템의 구축과 운용 또한 향후 대기학회가 지향해 동아시아 대기질 예보 및 감시를 위한 모델링 기술의 현황과 발전 방향 409
doi:10.5572/kosae.2013.29.4.407 fatcat:lbgvvrk76zcq7dgqss7deuaohi