Case studies on the air pollutants’ emissions, concentrations, and their effect

Abstract

To understand of the relationship among the air pollutants’ emissions, ambient concentrations, and their effects comprehensively in Korea, the characteristics of ambient aerosols and NOx emission trends were analyzed. First, long-term trend of the aerosol composition changes related to the emission change in Northeast Asia was analyzed and direct radiative forcing due to aerosols over Gosan was calculated based on the size segregated measurement data between 1992 and 2008 at Gosan, Jeju, Korea. The concentration variations of ions and carbonaceous aerosols matched well to the emission changes in China, and the concentration variations of the elements with natural origin were highly correlated to the frequency of dust storms in the region. The net aerosol forcing varied from -4.48 W m-2 to 0.53 W m-2 at Gosan during the period and it was increasing. This was mainly because of continuous decrease of sulfate concentration and steady increase of EC concentration in the region. Also, the emission inventories of NOx in South Korea were compared and analyzed. The two bottom-up emission inventories, Regional Emission inventory for ASia (REAS) and Clean Air Policy Support System (CAPSS), which are the latest emission inventories on the air pollutant emissions in South Korea were compared, and then, these two emission inventories were compared with the top down NOx emission estimation by inverse modeling to estimate the accurate amount of NOx emitted from South Korea. The NOx emission in South Korea was concentrated in mega cities, such as Seoul, Incheon, and Busan, and the transport sector (mobile source) was the major source. There were differences in the absolute amount and spatial distributions of NOx emission between the bottom up inventories, and the inverse modeling could be a powerful method to elucidate the causes of the differences between them. Finally, the emission inventories of NOx in North Korea were analyzed. The REAS data which are the latest emission inventories about the air pollutant emissions in North Korea were analyzed with several statistics to find out the trend of NOx emission for the last two decades. Also, the top down NOx emission estimation by inverse modeling were compared. The NOx emission in North Korea was concentrated in Pyongyang area. The NOx emission was relatively high in the 1980s, but it has decreased rapidly since 1990 because of poor economic conditions. It was demonstrated that the top down NOx estimation could be a powerful tool to estimate more accurate amount of NOx emissions from North Korea, where the opened statistic data to produce bottom up inventories is not enough. The integrated analytical method used in this study can be applied to other studies trying to control the ambient aerosols, improve the air quality, and understand the effect of aerosols on climate change. This comprehensive study is more valuable to the area characterized by high emissions of air pollutants, such as Northeast Asia, and continuing study is required.;이 연구에서는 대기오염물질의 배출, 농도변화 및 이에 따른 영향에 대하여 한국의 사례를 중심으로 분석하였다. 우선 1992년부터 2008년까지 제주도 고산에서 측정한 총부유분진 (Total Suspended Particles, TSP), 미세먼지 (Particulate Matter with a diameter of 10 m or less, PM10), 초미세먼지 (Particulate Matter with a diameter of 2.5 m or less, PM2.5) 자료를 분석하여 장기간의 입경 별 대기 중 에어로졸의 농도특성 및 광학특성 변화를 알아보았다. 입경별 입자의 이온성분, 원소성분, 탄소성분 자료를 분석하였는데, 이온성분과 탄소성분의 농도 변화 경향은 중국 및 한국의 대기오염물질 배출량 변화 경향과 잘 일치하였다. 원소성분은 인위적 배출원에서 배출되는 성분보다 자연적 배출원에서 배출된 성분들이 농도의 대부분을 차지하였으며, 이러한 자연 배출 원소성분의 농도는 이 지역의 황사 발생빈도와 비례하였다. 또한 이온성분 및 탄소성분 자료를 이용하여 장기간의 입자에 의한 복사강제력 (Direct Radiative Forcing due to Aerosols)도 계산하였는데, 그 값은 -4.48 W m-2 에서 0.53 W m-2 까지 점차 증가하는 추세를 보였다. 이러한 추세는 대기 중 이온성분 중에서 황산염이 꾸준히 감소하였고, 탄소성분이 꾸준히 증가한 것이 주 원인이었다. 다음으로 이 연구에서는 주요 대기오염물질 중 하나인 질소산화물 (NOx) 배출량에 관한 연구를 시행하였다. 배출량 자료는 연료사용량 등의 통계자료를 바탕으로 배출원에서의 배출량을 산정하는 상향식 접근법 (bottom-up approach)에 의해 산정된 자료와 실제 관측자료 및 수식 모델링을 통한 하향식 접근법 (top-down approach)에 의해 산정된 자료로 나눌 수 있다. 이 연구에서는 한국을 포함하고 있는 상향식 배출량 자료인 Regional emission inventory for Asia (REAS)와 Clean air policy support system (CAPSS)를 비교하였고, 이 결과를 인공위성 자료를 이용하여 역계산 모델로 추정한 하향식 배출량 자료와 비교하였다. 한국의 질소산화물 배출은 대부분 서울, 부산 등 대도시를 중심으로 자동차에서 많은 양이 배출되는 것으로 나타났다. REAS 배출량 자료는 질소산화물 배출량의 절대치 추정과 공간분포에서 문제점을 보였는데, 이러한 문제들은 역계산 모델로 추정한 하향식 계산으로 보정될 수 있었다. 마지막으로 이 연구에서는 북한의 질소산화물 배출에 관한 연구도 시행하였다. REAS 배출량 자료와 하향식 배출량 자료를 이용하여 북한의 질소산화물 배출량 변화를 분석하였다. 북한에서는 1980년대 평양부근에서 많은 양의 질소산화물이 배출되었으나, 1990년대 이후 계속된 경제난으로 질소산화물 배출이 급격히 감소하는 경향을 보였다. 북한과 같이 상향식 배출량 산정의 기본이 되는 통계자료가 부족한 지역의 경우, 인공위성 자료 등을 이용한 하향식 계산이 효과적인 배출량 산정 방법으로 이용될 수 있다. 이 연구에서는 대기오염물질의 배출, 대기 중 농도, 그리고 이에 따른 영향을 종합적으로 이해하고자 하였다. 이 연구에서는 한국의 사례를 위주로 분석하였으나, 이 연구에서 제시한 종합적 연구 방법은 대기 중 에어로졸을 제어하고 대기질을 향상시키며, 나아가 대기 중 에어로졸이 기후변화에 미치는 영향을 함께 이해하는 효과적인 연구 방법으로 활용될 수 있다. 이러한 종합적 연구는 대기오염물질의 배출이 특히 집중되어있는 동북아시아 지역 등에서 더욱 의의를 가지며, 지속적인 연구가 필요하겠다.