대기경계층연구실

대기경계층 연구실에서는 무엇을 연구하는가?

    

    

에어로졸-기상-대기복사 상호 작용 모델링 연구

대기 중의 미세먼지는 지표면에 도달하는 태양 복사를 흡수 및 산란하여 일사량을 감소시키거나, 구름 응결핵(CCN)으로 작용하여 구름 물방울 수 증가와 구름 물방울의 크기 감소, 구름의 체류시간 증가 등 구름의 특성을 변화시키고 결국에는 약한 강수의 감소를 유발하는 등 에어로졸의 직접효과, 1차 간접효과, 2차 간접효과, 준직접 효과를 유발시킨다(Twomey, 1977; Pincus and Baker, 1994; Albrecht, 1989; Ackerman et al., 2000; IPCC, 2007).

 

(에어로졸이 기상에 미치는 영향에 대한 모식도(IPCC, 2007))

    

이러한 에어로졸의 직·간접효과는 수년간 걸쳐져 지역 기후의 변화에도 영향을 미칠 뿐 아니라 구름물리 과정에 영향을 줌으로써, 장기간의 현상인 기후뿐만 아니라 단기간의 기상, 즉 강수, 운량 등의 매일의 기상 변수에도 변화가 생길 수 있다(Rosenfeld et al, 2008). 선행연구에서 따르면, 30일 및 5일 등의 단기간에 대해 대기질 특히 미세먼지와 기상이 서로 상호작용을 함으로써 강수량, 운량, 기온 등의 변화에 큰 차이를 유발함을 보고하였을 뿐만 아니라, 나아가 기상요소와 에어로졸 간의 상호작용을 고려함으로써 기상 및 대기질 두 예보 모두 예측의 정확도가 향상될 수 있음을 제시하기도 하였다(Grell and Baklanov 2011; Zhang et al., 2012; Park et al., 2018). 아래 그림은 에어로졸의 효과 유무에 따른 강수량 변화를 나타낸 선행 연구의 사례분석 결과인데, (a) ~ (c)의 사례는 2015년 6월 6일 00UTC부터 6월 10일 00UTC까지이고, (d) ~ (f)의 사례는 2015년 6월 11일 00UTC부터 6월 15일 00UTC까지의 결과이며, 각 사례의 일부기간은 2015년 6월 7일 12UTC와 2015년 6월 11일 00UTC부터 24시간동안의 결과이다. 이러한 사례 연구 결과를 토대로 알 수 있듯이, 에어로졸 효과의 반영으로 기상 변수인 강수량의 변화가 단기적으로도 나타남을 확인할 수 있었으며, 에어로졸의 직접 및 간접 효과 중에서 어느 하나의 효과만으로도 한반도를 중심으로 하는 중규모 이하의 작은 규모에서의 가상 변수가 다르게 나타나고 있음을 알 수 있었다.

    

 

모델링 사례기간 중 일부 기간 일평균된 강수량의 공간 분포 (a),(d)에어로졸 직·간접효과가 모두 반영된 결과 (b),(e)에어로졸 직접효과만 계산된 결과 (c),(f)에어로졸 간접효과만 계산된 결과(Park et al., 2018).

 

이러한 미세먼지의 여러 직·간접적인 효과를 더욱 자세히 살펴 보기위하여, 본 연구에서는WRF-Chem 모델에서 에어로졸과 기상 사이의 상호작용을 포함하되, 에어로졸의 직접효과와 간접효과를 각각 독립적으로 고려하는 실험을 수행하였다. 먼저, 직접효과를 고려하기 위해서는 모의실험에서 에어로졸과 복사(Radiation) 사이의 피드백(Feedback)이 수행되도록 모델을 설정하였다. WRF-Chem 모델 내의 에어로졸 효과가 구현되도록 사례 연구를 수행하기 위한 흐름도로서 에어로졸 광학 특성 모듈의 이용과정을 순차적으로 나타내 보면, 아래 그림과 같으며, 이러한 그림의 흐름도에 따라 에어로졸-복사 피드백에 대한 모의가 단계적으로 이루어진다. 이러한 실험을 위해서는 WRF-Chem의 복사 옵션(Radiation scheme) 중 Rapid Radiative Transfer Model for GCMs(RRTMG) 복사 옵션 또는 Goddard 단파복사 옵션을 선택하여야 하고 복사 옵션에 대한 에어로졸의 피드백(aer_ra_feedback)을 On으로 설정하여야 한다. 본 과제에서는 직접효과를 포함하여 모델링을 실시하기 위해, 복사 옵션은 Goddard 단파복사 옵션을 사용하고, aer_ra_feedback=1(에어로졸-복사 피드백 On)로 설정하였으며, 그 외에도 에어로졸-복사 피드백 설정을 선택한 경우에는 Mie 산란에 관한 계산을 수행하기 위해 에어로졸 구성 성분에 대한 Mixing Rule을 가정하는 방식에 대해 선택하여야 한다. 현재 WRF-Chem 모델에서 선택할 수 있는 Mixing Rule 방안은 크게 세 가지로서 1)Volume averaging, 2)Maxwell-Garnett, 3)Shell-core 방법이 있다. Volume averaging은 각 에어로졸 모드(Mode)/빈(Bin)에서 모든 에어로졸 성분이 혼합되어 있다고 가정하고 이를 기반으로 하여 평균 굴절률(Refractive indices)을 사용하는 방식이고, Maxwell-Garnett은 에어로졸 입자 내에 블랙카본(Black Carbon; BC) Core가 작은 구 모양(Spherical)으로 임의로(Randomly) 분포하고 있음을 가정하는 방식이며(Bohren and Huffman, 1983), Shell-Core는 모든 다른 구성성분들이 BC Core의 주변을 감싸고 있다고 가정하는 방식이다(Ackermann and Toon, 1981; Bohren and Huffman, 1983). 본 과제는 현업에서의 효율성을 감안하여 적분 소요 시간이 상대적으로 적게 소요되는 Volume averaging 방법을 사용하였다.

 

WRF-Chem 모델 내의 에어로졸 광학 특성 모듈 흐름도(NCAR, 2018).

    

  아울러 에어로졸의 간접효과를 고려하기 위해서는 액상화학과정을 포함하는 화학옵션을 사용하여야 한다. 아래 그림은 WRF-Chem 모델 내에서 수행되는 Grid-scale cloud에 대한 에어로졸-구름 상호작용의 과정을 모식화한 그림이다. WRF-Chem 모델에서 에어로졸 간접효과를 모의하는 것은 대기화학과정과 미세물리과정 사이의 상호작용을 모의하는 것이기 때문에, 에어로졸과 기상의 피드백이 가능한 Double-moment 방식의 미세물리과정 옵션을 사용하여야 한다. 본 과제에서 사용된 WRF-Chem v.3.8.1에서 에어로졸-구름 상호작용이 고려된 미세물리과정 옵션으로는 Lin 옵션과 Morrison 옵션이 있으며, 본 연구에서는 1차년도에 실시한 물리모수화 민감도 실험 결과에 따라 최적 옵션으로 선정된 Lin 옵션을 미세물리과정 옵션으로 선정하여 모의실험을 설정하였다. 또한, 선택된 미세물리과정 옵션이 Double-moment 방식으로 옵션 내에서 작용할 수 있도록 Prognostic number density option(progn=1)을 반드시 On으로 설정하여야 WRF-Chem 모델 내에서 에어로졸 간접효과를 고려한 결과를 얻을 수 있기 때문에, 미세먼지 농도와 기상 사이의 피드백 효과를 분석하는 실험에서는 Prognostic number density option을 On으로 설정하여 모의를 수행하였다. 마지막으로 모델 내에서 Grid-scale cloud와의 화학과정(Cloud chemistry) 및 습식 세정(Wet scavenging) 과정에 대한 피드백을 설정하기 위해 두 옵션에 대한 설정을 On으로 설정하여 모델링을 실시하였다.

    

 

    

WRF-Chem 모델 내의 에어로졸-구름 상호작용 과정의 모식도(NCAR, 2018를 재구성).

 

 

  본 대기환경모델링 연구실에서는 더 나아가 에어로졸의 직접효과와 간접효과를 세부적으로 분리항 연구하고 그 결과를 분석하고 있으며, 이는 서너번의 모델링을 추가로 실시하고 그 결과를 비교·분석하여 에어로졸-미세먼지 효과를 살펴보았다. 이를 위하여 총 세 가지 실험을 설정하면 아래의 표와 같다. 첫 번째로 에어로졸의 직·간접효과를 모두 배제한 실험(Control 실험; CTL), 두 번째로 에어로졸과 복사 상호작용만을 배제한 실험(No Aerosol-Radiation Interaction 실험; nARI), 마지막으로 에어로졸의 직·간접효과를 모두 포함한 실험(Aerosol-Cloud-Radiation Interaction 실험; ACR)을 수행하였다. 각 세 가지 실험들의 차이는 에어로졸과 기상 사이의 피드백 효과를 각각 의미한다. 즉, ACR 실험에서 CTL 실험을 뺀 실험(ACR-CTL)은 에어로졸 직·간접효과를 모두 포함한 효과를 살펴보기 위한 실험이며, ACR 실험에서 nARI 실험을 뺀 실험(ACR-nARI)은 에어로졸 직접효과만을 살펴보기 위한 실험이며, nARI 실험에서 CTL 실험을 뺀 실험(nARI-CTL)은 에어로졸 간접효과만을 나타낸다. 세 가지 실험들은 화학옵션 간의 일관성을 위해 모두 RACM/MADE/SORGAM 화학옵션을 사용하였고, CTL 실험을 제외한 나머지 두 실험들은 액상화학과정이 포함된 옵션을 사용하여 두 실험 간의 차이를 비교하여 그 결과를 분석하면 된다. 아래 그림은 여러 실험간 차이를 통해 대기질 장거리 이동이 우세한 사례에 대해 분석한 에어로졸 효과이다.