Studies on the characteristics and source contribution of volatile organic compounds (VOCs) as a precursor of ozone and secondary organic aerosols (SOA) in Seoul, Korea

Abstract

To establish effective control strategies against ozone and SOA over the major cities in Korea, scientific analyses have been carried out; (1) the long term trends of the ozone concentrations over 6 major cities in Korea are studied, (2) the characteristics of VOCs, precursors of ozone and SOA, over Seoul are investigated, and (3) the integrated control strategy to reduce the VOCs emissions is evaluated and discussed based on both ozone and SOA formation potentials of individual VOCs. The meteorologically adjusted long term variations of the surface ozone concentrations over 6 major cities in Korea were estimated by using the low-pass Kolmogorov and Zurbenko (KZ)-filter and multiple linear regressions. In addition, by using the OZone Isopleth Plotting package for Research-oriented version (OZIPR), the variation of ozone induced by the change of precursor emissions was separated from the long term variation of ozone over Seoul, thus the relative contribution of the background ozone concentration was deduced. It is inferred that the background effect is about 2.5 times higher than the precursor emissions change on the surface ozone concentration over Seoul. To establish the ozone control strategy in Seoul, where is characterized as VOCs-limited region, it is essential to understand the characteristics of VOCs and their major emission source. The annual concentrations of VOCs (96.2 ~ 121.1 ppbC) at the Bulgwang site in Seoul, Korea have shown a decreasing trend from 2004 to 2008. Most abundant component in Seoul was toluene, which accounted for over 23.5% of the total VOCs on the ppbC basis, and the portions of alkanes with two to six carbons constituted the largest major lumped group, ranging from 40.1 to 48.4% (45.3 ± 3.7%) of the total VOCs. By applying the Principal components analysis (PCA), three principal components such as gasoline vapor (48.9%), vehicular exhaust (17.9%), and evaporation of solvents (9.8%) were obtained to explain a total of 76.6% of the data variance. Most influential contributing sources at the sampling site were traffic related ones. To assess the adequacy of current control strategies, the contributions of individual VOC to the production of ambient ozone and secondary organic aerosol (SOA) are discussed. The contribution of aromatics (C6-C10) to the production of ozone accounted for 40.2 ~ 57.6% of the total ozone production, followed by low carbon alkanes (C2-C6) (20.9 ~ 32.5%). The total SOA formation potential of VOCs was found to range from 2.4 to 9.6 g m-3, mainly as a result of aromatics (C6-C10) (over 85%). Considering the contributions from ozone and SOA production, it was concluded that solvent use was the most important emission source, followed by vehicle exhaust emissions. Thus, the current emission control strategy focused on these two emission sources is appropriate to reduce the VOCs related pollution level of the Seoul Metropolitan Region.;본 연구에서는 대표적인 이차 대기오염물질인 오존과 이차유기입자의 우리나라 대도시에서의 저감정책 수립을 위한 과학적인 분석을 수행하였다. 대도시 지역의 기상에 의한 영향을 배제한 장기적인 오존농도 변동을 살펴보고, 오존 농도 제어정책 수립을 위해 대표적인 오존생성전구물질인 휘발성유기화합물의 농도 및 배출원 특성을 조사하였다. 또한 휘발성유기화합물의 이차유기입자 생성능을 고려하여 통합적인 오염물질 농도 저감정책에 대하여 평가하였다. KZ 필터와 다중선형회귀를 적용하여 우리나라 6대도시의 기상영향을 배제한 오존농도 장기변동추세를 살펴보았다. 또한 OZIPR 모델을 적용하여 서울시의 오존전구물질의 배출에 의해 생성되는 오존의 변동 특성을 추출하여 상대적인 배경오존농도의 기여도를 산출하였다. 오존전구물질 배출과 배경오존농도에 의해 유발되는 지표오존농도는 2001년부터 2008년까지 증가추세를 보이고, 배경오존농도의 기여도가 오존전구물질 배출에 의한 기여도보다 2.5배 높게 나타났다. 서울의 경우 오존전구물질 배출은 저감정책의 지속적인 시행으로 감소하는 추세에 있으므로 배경오존농도의 상대적인 중요성은 지속적으로 증가할 것이다. 휘발성유기화합물의 농도에 의한 오존의 농도가 결정되는 서울의 경우 오존 제어정책의 수립을 위해서는 오존 전구물질인 휘발성유기화합물의 특성과 주된 배출원에 대해 이해하는 것이 필요하다. 서울 불광지점의 연평균 휘발성유기화합물 농도는 96.2~121.1 ppbC로 2004년부터 2008년까지 감소하는 추세를 보인다. 톨루엔 농도가 전체 휘발성유기화합물의 23.5% 이상을 설명하는 성분이며 탄소가 2~6개 포함된 알칸 (45.3±3.7%)의 구성비가 가장 높았다. 주성분 분석 결과 15종의 휘발성유기화합물의 주요 배출원은 휘발유 증발(48.9%), 자동차 배기가스(17.9%), 유기용제 사용(9.8%)로 나타났다. 교통 관련 배출원이 휘발성유기화합물에 미치는 기여도가 가장 큰 것으로 평가되었다. 현재 수도권 대기개선을 위해 추진되는 휘발성유기화합물 제어정책의 적절성을 평가하기 위하여, 오존 및 이차유기입자 생성에 미치는 개별 휘발성유기화합물의 기여도를 살펴보았다. 방향족 휘발성유기화합물이 오존 생성에 미치는 기여율은 40.2~57.6%였고, 탄소가 2~6개 포함된 저탄소 알칸의 기여율은 20.9~32.5%였다. 휘발성유기화합물이 생성하는 이차유기입자는 2.4~9.6 g m-3 이고 이는 주로 방향족(85% 이상)에 의해 생성되었다. 휘발성유기화합물의 오존 및 이차유기입자 생성능을 통합적으로 고려하는 경우 유기용제의 사용이 가장 중요한 배출원으로, 자동차 배기가스가 다음으로 중요한 배출원으로 평가되었다. 그러므로 현재 유기용제 및 자동차 배기가스 저감을 중심으로 진행되고 있는 배출저감정책은 휘발성유기화합물에 의해 생성되는 오염물질의 저감을 위해서는 적절한 것으로 판단된다.