Cold-season atmospheric conditions associated with sudden changes in PM10 concentration over Seoul, Korea

Abstract

The atmospheric conditions have been intensively studied in association with high and low PM10 episodes defined by air quality standards. However, the association with the sudden changes in PM10 has not been clearly understood. Here, we defined a daily PM10 change of above one standard deviation as a sudden change, and specifically categorized these changes into PM10-increasing days (294 days) and PM10-decreasing days (277 days). We then investigated the atmospheric conditions in relation to sudden changes in PM10 concentration based on the preceding concentration in Seoul, Korea during 17 cold seasons (October to March) from 2001/2002 to 2017/2018. The local and synoptic atmospheric variables were obtained from ECMWF ERA-Interim and ERA5, and AOD from MODIS/Terra. On PM10-increasing days, high-pressure anomalies in the upper and lower atmosphere tended to be found over the Korean Peninsula. A southerly wind, strong atmospheric stagnation, and increasing AOD over the eastern region of China may also have been responsible for the increase in PM10 regardless of the preceding concentration. On PM10-decreasing days, the prevailing atmospheric patterns were associated with the preceding PM concentration. From the moderate concentration (40–80 μg m-3) to the lower, a strong, low-pressure anomaly favorable for the dispersion of PM10 was observed over the Korean Peninsula. In contrast, from the high concentration (>80 μg m-3) to the moderate, there was no distinct pattern except for a high-pressure anomaly in the upper atmosphere. These results serve to improve our understanding of the mechanisms behind sudden changes in PM10 concentrations due to the atmospheric conditions over East Asia.;미세먼지로 인한 대기오염이 심각해짐에 따라 미세먼지 농도에 영향을 미치는 대기 조건에 관한 연구가 최근 활발히 이루어지고 있다. 대부분의 연구는 대기환경기준에 의해 정의되는 고농도 혹은 저농도 미세먼지 농도와 관련한 대기 조건에 초점을 맞추었으나 이는 실질적으로 미세먼지의 농도가 증가하고 감소하는 메커니즘을 이해하는데 한계가 있다. 이에 본 연구에서는 2001/2002-2017/2018년 총 17년도의 겨울철-봄철의 서울의 미세먼지 농도의 변화량을 이용하여 미세먼지 농도의 증가와 감소를 유발하는 수일 전-당일의 대기 조건 메커니즘을 이해하고자 하였다. 분석에는 국지기상 및 종관기상 변수들에 대한 ECMWF ERA-Interim 과 ERA5 재분석 자료 와 MODIS/Terra의 AOD 자료를 사용하였다. 미세먼지 변화의 기준을 구축하기 위해 표준편차 이상의 값들을 Sudden Change로 정의하고, 이를 증가 사례일과 감소사례일로 구분하였다. 미세먼지 증가 사례일에는 한반도 상하층 고기압 편차가 위치하며 남풍이 발생하고 한반도 하층에 강한 대기정체가 나타났다. 또한, 한반도와 더불어 중국의 동부지역의 AOD가 증가하였다. 이는 고농도 사례일에서 나타나는 패턴과 유사하며 변화의 초기농도에 상관없이 동일한 결과를 보인다. 반면, 미세먼지 감소 사례일의 경우, 초기농도에 따라 다른 대기장 패턴을 보였다. 초기농도가 중간(40-80 μg m-3)일 때, 한반도에 강한 저기압 편차와 대기확산이 일어나는 반면, 초기농도가 높을(>80 μg m-3)때에는 상층에 강한 고기압 편차를 제외 하고서는 뚜렷한 패턴을 보이지 않았다. 이에, 우리 연구는 초기 농도의 조건이 미세먼지 감소 사례일에 영향을 주는 것을 확인하였다. 본 연구 결과는 초기농도 조건에 따른 미세먼지의 변화와 연관된 대기조건의 메커니즘을 제시하였고, 이는 특히 감소 사례일의 대기 조건을 보다 명확히 이해하는 데 큰 도움을 줄 것으로 사려 된다.