Characteristics of Chemical Composition in PM2.5 including carbonaceous components during Winter 2020 and Summer 2021 at Ulaanbaatar, Mongolia

Abstract

Ulaanbaatar, the capital city of Mongolia, is one of the considering cities with the most severe air pollution in the world. About half of the total population in Mongolia lives in the capital city. Half of its residents live in Ger, a traditional Mongolian residential type. The indiscriminate combustion of wood, coal, and combustible waste for home heating and cooking in Ger is cited as one of the main causes of air pollution. In addition, the city has three coal-thermal power plants and about 60% of the total number of vehicles in Mongolia, of which 22% are aged for more than 20 years. Among them, coal combustion, biomass combustion, thermal power plants, and traffic emissions, which are the major sources of air pollutants in Mongolia, account for the majority of carbonaceous components of PM2.5. However, studies on the chemical composition of PM2.5 have been limited in this region, especially the detailed for the characteristics of carbonaceous components in OC of PM2.5. In this study, PM2.5 intensive measurements were conducted in winter (December 15, 2020 to January 17, 2021) and in summer (June 1, 2021 to June 30, 2021) in Ulaanbaatar to characterize the chemical composition of PM2.5 and OC for the evaluation of severe air pollution at Ulaanbaatar. 30 PM2.5 samples for each season collected, and 10 water-soluble ion components (F-, Cl-, SO42-, NO3-, Br-, Na+, NH4+, K+, Mg2+, and Ca2+) and 4 carbonaceous components (OC, EC, WSOC, HULIS-C) were analyzed. The average concentration of the total components of PM2.5 was 68.98 µg/m3 in winter, which exceeded the national air quality standard of 50 μg/m3 for PM2.5 (Mongolian Agency for Standardization and Measurement [MASM], 2016) in Mongolia. In summer, the concentration remarkably decreased to 20.16 μg/m3, below the air quality standard. In both winter and summer, carbonaceous components were the most abundant in PM2.5, accounting for 71% in winter and 60% in summer. Among the ion components, SO42- accounted for 12% in winter and 11% in summer, which was the most abundant component in both seasons. The concentration of Ca2+ in summer was more elevated than in winter by six times (3.38 μg/m3 versus 0.57 μg/m3), making it the most abundant water-soluble ion component (17%). The correlation analysis for the individual chemical species revealed that direct emissions such as coal combustion and open burning were major sources of PM2.5 at Ulaanbaatar in winter. While, in summer, direct emission from coal combustion was still significant, but the effect of photochemical reactions seemed to be substantial for the chemical composition of OC and PM2.5. In the case of EC, it was mainly emitted from vehicle emissions and resuspended dust in both seasons. In summer, since the emissions from open burning, household heating, cooking which had very small EC emission and very large OC emission, was greatly reduced, the effect of vehicle emission was clearly shown. According to the results of the forward trajectory cluster analysis of air parcels, it was found that both seasons had 3 clusters, with the eastward airflow prevailed in winter and summer. In winter, the cluster moving within Mongolia was the most dominant, and two clusters were moving to China. In summer, it was confirmed that two out of the three clusters moved to a high altitude, which would not have had a significant impact on air quality, and that one cluster moved to China. There was not much difference in concentration and composition for each cluster for each season. Thus, the characteristics of Mongolia, which had a significant influence on its own emission and formation, were found. In addition, considering the clear difference in the chemical composition of PM2.5 from other cities, the different increases of WISOC, OC, SO42- in winter and WISOC, OC, SO42-, and Ca2+ in summer than usual would reveal the influences of Mongolia.;몽골의 수도 울란바토르는 세계에서 가장 심각한 대기오염을 겪는 도시 중 하나이다. 몽골 전체 인구의 약 47%가 수도에 살고 있고, 수도 주민의 절반이 몽골의 전통적 주거형식인 게르(Ger)에 살고 있는데, 게르에서의 가정 난방과 조리를 위한 목재, 석탄의 무분별한 연소는 대기오염의 주요 원인 중 하나로 지목되고 있다. 또한, 도시 내에 석탄화력발전소가 3개가 존재하고, 이동오염원인 자동차가 몽골의 전체 차량 수의 약 60%가 집중되어 있고, 그중 22%가 20년 이상 노후된 차량으로 조사된다. 이로 인해 낮은 대기질과 고농도의 PM2.5에 의한 가시거리 저하 등의 심각한 문제에도 불구하고 PM2.5에 대한 발생 및 분포 특성 연구는 제한적으로 진행되어왔다. 미세먼지의 화학조성은 크게 무기 및 유기성분(또는 탄소성 성분)으로 이루어져 있는데, 울란바토르의 대기오염물질의 주요 배출원인 석탄 연소, 바이오매스 연소, 화력발전소와 교통배출량은 PM2.5의 탄소성 성분의 주요 배출원이다. 본 연구에서는 몽골의 수도 울란바토르에서 겨울(2020년 12월 15일~2021년 1월 17일)과 여름(2021년 6월 1일~2021년 6월 30일)에 PM2.5 집중측정을 실시하였고, PM2.5 내 무기 이온 성분(F-, Cl-, Br-, SO42-, NO3-, Na+, NH4+, K+, Ca2+, Mg2+) 및 상세탄소성분(EC, OC, WSOC, HULIS-C)을 분석하였다. 이를 통해 겨울과 여름의 PM2.5 내 화학 성분의 농도와 조성을 제시하고, 성분 간 상관관계를 파악하여 발생 특성을 유추해 보고자 하였다. 또한 이처럼 심각한 대기질 문제를 겪고 있는 몽골이 주변국에 미치는 영향을 확인하기 위해 forward trajectory의 군집분석을 실시하였다. 그 결과, PM2.5내 화학성분의 총 농도는 겨울철 68.98 µg/m3으로 몽골의 대기질기준 (Mongolian Agency for Standardization and Measurement [MASM], 2016)인 50 µg/m3를 초과하였으나, 여름철엔 겨울에 비해 약 3배 감소한 20.16 μg/m3으로 그 기준을 충족하였다. 겨울과 여름 모두 탄소성 성분(OC+EC)이 겨울에 71%, 여름에 60%를 차지하여 가장 풍부한 성분이었다. 이온 성분 중, SO42-는 겨울에 12%, 여름에 11%를 차지하며 두 계절에서 높게 측정되었다. 하지만 여름에는 겨울에 0.57 μg/m3으로 낮은 농도였던 Ca2+가 약 6배 증가하여 3.38 μg/m3이 되어, 여름엔 이온 성분 중 Ca2+가 가장 풍부했다 (17%). 배출원의 마커로 활용할 수 있는 이온 성분과의 상관관계를 통해 겨울철엔 석탄연소, open burning 등의 직접배출의 영향이 큰 것을 확인하였다. 여름 역시 직접배출의 영향이 여전히 컸지만, WSOC, HULIS-C에는 광화학산화반응의 영향이 증가한 것으로 보인다. EC의 경우는 두 계절 모두 이동원 및 재비산먼지의 영향이 있음을 알 수 있었는데, 여름철에는 EC의 배출은 매우 적고 OC의 배출이 매우 많은 open burning, 가정에서의 난방에서의 배출량이 크게 감소하여 이동원 및 재비산먼지의 영향이 뚜렷하게 확인되었다. Forward trajectory 군집 분석 결과에 따르면, 두 계절 모두 3개의 군집으로 분류됐으며, 겨울과 여름에 동쪽으로 향하는 기류가 우세했다. 겨울의 경우 몽골 자체로의 영향이 가장 컸으며, 중국으로 이동하는 기류 역시 존재했다. 여름은 3개 중 2개의 군집이 높은 고도로 이동하여 대기질에 큰 영향을 주지 않았을 것으로 생각되며, 하나의 군집은 중국으로 이동하는 것을 확인하였다. 또한 각 계절마다 군집별 농도 및 조성의 차이가 크지 않았는데, 이를 통하여 자체적인 배출 및 생성의 영향이 큰 몽골의 특징을 알 수 있었다. 또한 다른 도시와의 뚜렷한 차이를 고려할 때, 겨울철에 OC, WISOC, SO42-, 여름철의 OC, WISOC, SO42-, Ca2+가 평소와 다르게 증가한다면 몽골의 영향이 있을 것으로 예상할 수 있을 것이다.