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• 동아시아 에어로솔의 복사특성 (Aerosol Optical Properties)
1. 연구 배경
황사는 중국과 몽골에 위치한 고비 사막, 황토 고원 및 건조한 불모지 등에서 강한 바람에 의해 공기 중으로 부유하여 발생하는 먼지현상이다. 공기 중으로 부유한 먼지는 편서풍의 영향으로 한반도, 일본 등에 영향을 미치며, 때로는 태평양을 횡단하여 북미대륙까지 도달하는 것으로 보고된 바 있다 (Husar et al., 2001). 최근 내몽골 고원의 초지에서 사막화 현상이 급격히 진행되어 발원지가 한반도에 근접함에 따라 우리나라에 봄철뿐 아니라 때때로 가을과 겨울에도 발생하는 등 황사의 발생 빈도가 증가하고 있다. 이러한 황사는 건강은 물론 제 경제사회활동에도 심각한 영향을 주고 있다. 대기 중 미세먼지를 급격하게 증가시켜 호흡기 질환 등을 유발하며, 반도체 등 정밀산업에 영향을 주어 불량제품을 증가시키고, 시정악화에 따른 항공기 이착륙에 영향을 주며, 휴교를 유발하는 등 황사로 인해 발생하는 직간접의 경제사회적 비용은 실로 막대하다 (삼성경제연구소, 2005). 따라서 국민의 삶의 질을 향상하고 경제사회에 미치는 피해를 경감시키기 위한 정확한 황사의 모니터링과 예보가 필요하다.
기상청에서는 2002년 3월 이후 황사특보제가 신설 운영하게 되었으며, 2007년 2월부터는 1시간 평균 미세먼지농도 (PM10)가 400 - 800 μg/m3일 경우는 주의보를, 800 μg/m3 이상일 경우에 경보를 발령하고 있다. 또한 황사관측에서 세계기상기구 (WMO)가 정한 목측방법 대신, PM10이 300 μg/m3 이상 시 기류 이동경로 확인과 황사 발원지 발생확인을 거쳐 황사여부를 판정하고, 300 μg/m3 미만일 때에는 하늘상태와 시정 혼탁 등 목측 확인 및 기류 이동경로 확인과 황사발원지 발생확인을 거쳐 황사 여부를 판정하고 있다 (기상청, 2007). 그러나 이러한 기준은 관측이 지상과 접한 부분에서만 이루어지고 있음을 판단할 때, 황사가 지상에서 격리되어 상층으로 통과하고 있는 경우는 황사의 관측이 이루어질 수 없다. 또한 황사의 주 모드가 3 - 4 μm임을 고려할 때 이보다 작은 모드의 대기오염물질이 증가하여 PM10 농도가 높아질 때 황사로 오인할 수 있는 가능성이 있다. 그리고 PM10이 낮은 약한 황사가 나타나는 경우, 하늘상태를 목측으로 판단한다 하더라도 각 관측 담당자들이 객관적이고 정량적으로 황사를 관측하는 것이 어려운 실정이다.
기상청에서는 2002년 3월 이후 황사특보제가 신설 운영하게 되었으며, 2007년 2월부터는 1시간 평균 미세먼지농도 (PM10)가 400 - 800 μg/m3일 경우는 주의보를, 800 μg/m3 이상일 경우에 경보를 발령하고 있다. 또한 황사관측에서 세계기상기구 (WMO)가 정한 목측방법 대신, PM10이 300 μg/m3 이상 시 기류 이동경로 확인과 황사 발원지 발생확인을 거쳐 황사여부를 판정하고, 300 μg/m3 미만일 때에는 하늘상태와 시정 혼탁 등 목측 확인 및 기류 이동경로 확인과 황사발원지 발생확인을 거쳐 황사 여부를 판정하고 있다 (기상청, 2007). 그러나 이러한 기준은 관측이 지상과 접한 부분에서만 이루어지고 있음을 판단할 때, 황사가 지상에서 격리되어 상층으로 통과하고 있는 경우는 황사의 관측이 이루어질 수 없다. 또한 황사의 주 모드가 3 - 4 μm임을 고려할 때 이보다 작은 모드의 대기오염물질이 증가하여 PM10 농도가 높아질 때 황사로 오인할 수 있는 가능성이 있다. 그리고 PM10이 낮은 약한 황사가 나타나는 경우, 하늘상태를 목측으로 판단한다 하더라도 각 관측 담당자들이 객관적이고 정량적으로 황사를 관측하는 것이 어려운 실정이다.
2. 연구 필요성
황사 층에 시그널을 방출하여 반사된 빛을 분석하는 라이다 관측은 황사의 연직분포 추정이 가능하여 황사 판독에 많은 도움을 준다. 그러나 대기 경계층에 의한 반사 등이 황사로 잘못 판독되는 등 라이다 자료 해석에 어려움을 초래하는 등 비전문가의 황사판독에 어려움이 많으며 특히 상시적인 현업용 관측에의 사용에는 무리가 따르고 있다. 이에 반해 하늘을 스캔하며 태양의 직달 일사량과 산란일사량을 관측하는 스카이라디오미터는 관측과 관리가 용이하고 황사를 판단할 수 있는 에어로솔 광학두께, 옹스트롬 지수 및 입경별 크기분포 (체적 분포)를 정량적으로 얻을 수 있어, 타 관측자료와 함께 사용하는 경우 큰 상승작용을 이끌어 낼 수 있다. 뿐만 아니라 주관적 판단이 아니라 정량적인 에어로솔의 광학적 성질을 공급하기 때문에 대기층 전체에 대한 황사 존재 유무 및 강도를 쉽게 판독할 수 있다. 즉, 비전문가라도 황사의 존재여부를 쉽게 판단할 수 있다. 그러나 태양광을 사용하므로 낮 동안 구름이 없는 청천하늘에서 자료의 생산이 가능함으로써 야간을 커버할 수 없는 단점을 가진다.
이러한 이유로 본 연구실은 실시간으로 스카이라디오미터 자료로부터 정량적인 에어로솔 광학성질을 얻어 그로부터 객관적인 황사의 유무 및 시종을 판단할 수 있는 방법과 생산 패키지를 구축하였다. 그러나 과거의 관측망은 서울대와 고산의 2개소에 불과하여 황사의 공간분포 감시 및 관측자료의 신뢰성 제고 등을 위해 관측장소를 확대할 필요가 있다. 한편 스카이라디오미터는 청천시의 태양광으로 자료를 생산하여 야간이나 구름이 낀 낮에는 관측이 불가능하므로 위성을 포함한 다양한 관측기기를 사용하면 황사예보의 정확도 및 신뢰도를 향상시킬 수 있을 것이다.
이러한 이유로 본 연구실은 실시간으로 스카이라디오미터 자료로부터 정량적인 에어로솔 광학성질을 얻어 그로부터 객관적인 황사의 유무 및 시종을 판단할 수 있는 방법과 생산 패키지를 구축하였다. 그러나 과거의 관측망은 서울대와 고산의 2개소에 불과하여 황사의 공간분포 감시 및 관측자료의 신뢰성 제고 등을 위해 관측장소를 확대할 필요가 있다. 한편 스카이라디오미터는 청천시의 태양광으로 자료를 생산하여 야간이나 구름이 낀 낮에는 관측이 불가능하므로 위성을 포함한 다양한 관측기기를 사용하면 황사예보의 정확도 및 신뢰도를 향상시킬 수 있을 것이다.
3. 연구 내용
• 국내 스카이라디오미터 관측망(KSNET) 구축 및 운영
과거 국내에서 운영되는 스카이라디오미터는 보유한 기관에서 각자 운영되어 관측 및 분석 과정에서 통일성을 기하기 어려운 문제점이 있었고 정확도에 대한 검증없이 결과물을 생산하고 있는 실정이었다. 이에 분석 방법을 통합하고 기기 검정에 대한 사용자의 요구가 수렴되어 본 연구실을 중심으로 4개의 스카이라디오미터를 서울대학교 501동 옥상에 설치하여 2009년 2월 - 3월에 공동검정관측을 수행하였다. 그 결과 각 기기간의 오차를 최소화하였고, 현재 각 사이트의 관측결과를 실시간으로 서울대에서 수집하여 표준화된 분석기법을 거친 결과를 실시간으로 표출하는 시스템을 구축하였다.
과거 국내에서 운영되는 스카이라디오미터는 보유한 기관에서 각자 운영되어 관측 및 분석 과정에서 통일성을 기하기 어려운 문제점이 있었고 정확도에 대한 검증없이 결과물을 생산하고 있는 실정이었다. 이에 분석 방법을 통합하고 기기 검정에 대한 사용자의 요구가 수렴되어 본 연구실을 중심으로 4개의 스카이라디오미터를 서울대학교 501동 옥상에 설치하여 2009년 2월 - 3월에 공동검정관측을 수행하였다. 그 결과 각 기기간의 오차를 최소화하였고, 현재 각 사이트의 관측결과를 실시간으로 서울대에서 수집하여 표준화된 분석기법을 거친 결과를 실시간으로 표출하는 시스템을 구축하였다.
• 스카이라디오미터 관측을 활용한 황사 및 에어로솔 모니터링기법 연구
스카이라디오미터으로부터 관측되는 에어로솔 광학특성 중 Alpha (옹스트롬 지수), AOT (에어로솔 광학 두께), SSA (단산란알베도)를 활용하여 황사 에어로솔을 구별해내는 기법을 아래와 같이 개발하였다.
현재는 구름 제거를 위해 에어로솔 크기 분포의 모드 분석 및 플럭스 관측 결과를 활용하고 있으며, 최종적인 황사의 여부를 실시간으로 표출하고 있다.
스카이라디오미터으로부터 관측되는 에어로솔 광학특성 중 Alpha (옹스트롬 지수), AOT (에어로솔 광학 두께), SSA (단산란알베도)를 활용하여 황사 에어로솔을 구별해내는 기법을 아래와 같이 개발하였다.
[스카이라디오미터를 활용한 황사 판독 기준]
• 스카이라디오미터 관측과 대기복사모델을 활용한 에어로솔의 복사영향평가
대기 복사 시스템에서 에어로솔의 중요성은 익히 알려져 왔지만 그 영향이 정확히 어느 정도인지에 대해서는 아직도 불확실성이 매우 커서 많은 연구가 필요하다. 에어로솔의 복사 강제력을 지상 관측 자료를 이용하여 평가하면 불확실성을 낮출 수 있다는 장점이 있다. 스카이라디오미터 관측 결과로 구해 낸 에어로솔의 AOT, 굴절 지수, 그리고 크기 분포를 이용하여 대기 복사 전달 모델을 통해 에어로솔의 복사 강제력을 구하는 방법을 개발하였다. 에어로솔의 광학 성분들의 정확도를 높이기 위하여 지상 관측 플럭스 자료를 이용하여 스카이라디오미터 관측 결과를 보정한 후 복사 강제력을 구해내며, 에어로솔의 산란, 흡수에 인해 지상과 대기 상단의 복사에 미치는 영향을 정량적으로 알아낼 수 있다.
대기 복사 시스템에서 에어로솔의 중요성은 익히 알려져 왔지만 그 영향이 정확히 어느 정도인지에 대해서는 아직도 불확실성이 매우 커서 많은 연구가 필요하다. 에어로솔의 복사 강제력을 지상 관측 자료를 이용하여 평가하면 불확실성을 낮출 수 있다는 장점이 있다. 스카이라디오미터 관측 결과로 구해 낸 에어로솔의 AOT, 굴절 지수, 그리고 크기 분포를 이용하여 대기 복사 전달 모델을 통해 에어로솔의 복사 강제력을 구하는 방법을 개발하였다. 에어로솔의 광학 성분들의 정확도를 높이기 위하여 지상 관측 플럭스 자료를 이용하여 스카이라디오미터 관측 결과를 보정한 후 복사 강제력을 구해내며, 에어로솔의 산란, 흡수에 인해 지상과 대기 상단의 복사에 미치는 영향을 정량적으로 알아낼 수 있다.
• 위성 적외채널을 활용한 주야간 황사 감시 기법 개발
주야간 황사 광학두께를 산출하기 위해 MODIS 적외 채널자료를 활용한 신경망 모델을 개발하였다. 신경망 모델에 학습을 위해 사용된 입력자료로는 적외 채널 밝기 온도, 적외차 (TB11 - TB12), 지표 방출률, 지표 온도, 위성 천정각, 지표 고도를 사용하였으며 그에 따른 550 nm 에어로솔 광학 두께를 출력자료로 사용하였다. 지표 방출률을 IGBP 타입별로 고려하기 위해 ASTER spectral library에서 제공하는 구성 물질들을 활용한 선행 사례를 참조하였다. 이런 구조로 이루어진 신경망 모델로부터 학습시킨 후 2006년과 2007년의 봄철 (3월 - 5월) 자료에 대해 모두 적용시켰으며 그 결과 주야간 황사 광학 두께를 산출하였다.
주간 광학두께 산출물에 대해 MODIS 에어로솔 산출물과 비교 검증을 시도하였으며 그 결과 2006년 봄철 산출물의 경우 약한 과소모의를 하나 높은 상관관계 (상관계수: 0.85)를 보였다. 학습된 입력자료와 독립적인 2007년 봄철의 경우 2006년에 비해서는 더 과소모의를 하였으나 비교적 높은 상관관계 (상관계수: 0.78)를 보였다. 본 연구의 최종목적은 위성 적외 채널을 활용하여 주야간 공히 황사의 광학 두께를 산출하고, 이를 이용하여 황사의 상시 감시 기술을 보유하는 것이다.
주야간 황사 광학두께를 산출하기 위해 MODIS 적외 채널자료를 활용한 신경망 모델을 개발하였다. 신경망 모델에 학습을 위해 사용된 입력자료로는 적외 채널 밝기 온도, 적외차 (TB11 - TB12), 지표 방출률, 지표 온도, 위성 천정각, 지표 고도를 사용하였으며 그에 따른 550 nm 에어로솔 광학 두께를 출력자료로 사용하였다. 지표 방출률을 IGBP 타입별로 고려하기 위해 ASTER spectral library에서 제공하는 구성 물질들을 활용한 선행 사례를 참조하였다. 이런 구조로 이루어진 신경망 모델로부터 학습시킨 후 2006년과 2007년의 봄철 (3월 - 5월) 자료에 대해 모두 적용시켰으며 그 결과 주야간 황사 광학 두께를 산출하였다.
주간 광학두께 산출물에 대해 MODIS 에어로솔 산출물과 비교 검증을 시도하였으며 그 결과 2006년 봄철 산출물의 경우 약한 과소모의를 하나 높은 상관관계 (상관계수: 0.85)를 보였다. 학습된 입력자료와 독립적인 2007년 봄철의 경우 2006년에 비해서는 더 과소모의를 하였으나 비교적 높은 상관관계 (상관계수: 0.78)를 보였다. 본 연구의 최종목적은 위성 적외 채널을 활용하여 주야간 공히 황사의 광학 두께를 산출하고, 이를 이용하여 황사의 상시 감시 기술을 보유하는 것이다.