Development and evaluation of aerosol dynamics algorithm for wet and dry deposition processes using the moment method

Abstract

본 연구는 모멘트 방법을 이용하여 강수에 의한 습식세정과 건식침적에 대한 에어로졸 다이나믹스 알고리듬을 개발하였다. 먼저, 강수에 의한 습식세정에 영향을 주는 주요한 인자들을 모두 고려하면서도 높은 계산 효율을 가지는 습식세정계수를 개발하였다. 빗방울 크기 분포의 인자들을 측정이 상대적으로 쉬운 강수강도의 함수로 나타내어 세정계수를 유도하였다. 본 연구에서는 평균 개수-세정계수와 평균 질량-세정계수를 구하였다. 개발한 평균 개수-세정계수와 평균 질량-세정계수는 도심, 시골, 사막이라는 세 가지 모델 환경에 적용하였다. 총 평균 개수-세정계수는 기하학적 표준 편차가 가장 큰 입자 모드에 의해 결정되며 그 다음은 입자 개수 농도가 큰 입자 모드의 영향을 받는다. 총 평균 질량-세정계수는 주된 영향을 미치는 모드의 질량 농도와 기하학적 표준 편차의 영향을 받는다 습식세정에 의한 에어로졸 다이나믹스 알고리듬은 앞서 언급한 습식세정계수를 토대로 개발되었다. 이 알고리듬은 모멘트 방법을 이용하여 습식세정에 관한 지배방정식을 계산하였다. 에어로졸 다이나믹스 식을 검증하기 위하여 실제 강수 현상 시 입자 크기 분포를 측정한 Chate (2005), Radke 등 (1989), Kim 등 (2007)의 측정값과 비교하였다. 계산한 세정계수는 실제 측정값에 비해 과소평가되었으며 가능한 이유에 대해서 논의하였다. 로그정규분포를 가진 입자 크기 분포에 대한 건식침적의 분석해를 구하였다. 본 연구에서 사용한 건식침적속도식은 Raupach 등 (2001)이 제안한 식을 사용하였다. Raupach 등 (2001)이 제시한 건식침적속도와 Wesely (1989)의 건식침적속도와 비교하였다. 모멘트 방법을 이용하여 평균 개수-건식침적속도와 평균 질량-건식침적속도식을 개발하였다. 건식침적에 의한 에어로졸 다이나믹스를 모사하기 위하여, 지배방정식을 구하였다. 이 지배방정식은 k번째 모멘트의 함수로 표현되며 계산 시간을 단축할 수 있다. 입자 크기 분포의 변화율은 세 가지 경우에 대하여 적용하였다. 개발한 식을 사용하여 계산한 에어로졸 다이나믹스의 변화와 Wesely (1989)의 식 (Seinfeld and Pandis, 1998)을 이용하여 계산한 다이나믹스의 변화를 비교하였다. 이 연구에서 개발한 표현식들은 현존하는 기후모델이나 대기질 모델에 계산 알고리듬의 변화없이 적용할 수 있으며 강수에 의한 습식세정과 건식침적 과정을 모사하는데 효과적이다.;The algorithms for the aerosol dynamics of below-cloud scavenging and dry deposition processes are developed using the moment method. First, a computationally efficient analytical expression for scavenging coefficient is developed in which important variables of below-cloud scavenging process are considered. Parameters of raindrop size distribution are expressed as a function of rain intensity since rain intensity is a widely measured parameter. In this study, both the mean number- and mass-scavenging coefficients are obtained. The derived mean number- and mass-scavenging coefficient expressions are applied to three model cases; urban, rural, and desert. The total mean number-scavenging coefficient is largely determined by the mean number-scavenging coefficient of the mode with the largest geometric standard deviation value followed by the number concentration. The total mean mass-scavenging coefficient is largely determined by the mass concentration and geometric standard deviation of each mode. The governing equation for the below-cloud scavenging process based on the expression of the derived below-scavenging coefficient is solved with the modal approach and the dynamics of particle size distribution by below-cloud scavenging process verified against the measurement data. It turned out that the model underestimates the scavenging coefficient significantly and possible causes are discussed. The analytical expression for dry deposition process is developed. The dry deposition velocity proposed by Raupach et al. (2001) is used in this study. The dry deposition from proposed by Raupach et al. (2001) is compared with a widely used velocity form of Wesely (1989). Using the moment method, the mean number- and mass-dry deposition velocity for polydisperse particle is developed. To describe the dynamics of dry deposition process, the governing expression is derived as a function of kth momentum. The dynamics of particle size distribution by the dry deposition process is calculated efficiently in using the equation. The change rate of polydisperse particle size distribution is obtained for three cases; hazy, urban, and clear. Since these expressions are in the analytical forms, it can be used as the effective tools for describing below-cloud scavenging and dry deposition processes of particles for existing climate or air quality models without changing calculation algorithm.