대기경계층연구실

대기경계층 연구실에서는 무엇을 연구하는가?

    

    

대기경계층과 대기오염물질의 연직 혼합

    대기경계층(Planetary Boundary Layer; PBL)은 대기 하부의 약 1 ~ 2 km 정도의 대기층으로서 지면에서 대기로 방출하거나 흡수하는 에너지 플럭스의 일변화에 직접 반응하여 대기경계층 고도와 풍속, 기온, 습도 및 각종 대기 오염물 농도가 일변화를 보인다. 일반적으로 대기경계층 상부에 존재하는 역전층으로 인하여 대기경계층 위의 자유 대기와 구분하며, 따라서 인간이 배출한 대기 오염물의 대부분이 대기경계층 밖으로 빠져나가지 못하고 대기경계층 내부에 잔류 한다. 따라서 이러한 대기경계층 고도 변화는 대기오염물질의 농도 예측에 영향을 미칠 수 있으며, 따라서 측정된 대기경계층 고도의 변화와 이에 영향을 미치는 지면에너지 플럭스를 정량화하여, 대기 모형에 의해서 모의된 대기경계층 구조에 대해 비교 검증은 매우 중요한 연구이다.

  대기 경계층의 측정은 전통적으로 대기경계층 고도는 라디오존데(radiosonde)를 이용하여 관측한 의한 온도의 연직 분포에서 추정하여왔으나, 최근에는 원격 탐사 기술의 발달로 고성능/효울 라이다를 활용하여 관측한 후방산란 강도 분포에서 추정하는 방법도 활발하게 활용하고 있다.

  따라서 대기환경모델링연구실에서는 1) 운고계를 이용하여 수도권의 대기경계층 고도 관측 및 지면에너지 분석하고 있으며, 2) 운고계로부터 관측된 후방산란 자료를 이용하여 대기경계층 고도를 산출하는 알고리즘 개발할 계획이며, 3) 라디오존데 관측을 직접 수행하고 이를 통해 얻어진 연직 온도분포로부터 대기경계층 고도를 추정하여, 이를 운고계로 관측한 대기경계층 고도 자료의 성능을 통계적인 방법으로 평가를 수행하고 있다.

  또한, 이러한 측정 자료를 이용하여 기상물리 옵션별 WRF 기상모델 결과와 관측된 대기경계층의 비교 분석을 수행할 수 있다. WRF 모델의 대기경계층 모수화별/계절별 대기경계층 고도 및 지면 에너지 플럭스 모의를 수행하고 있으며, 운고계로 관측한 대기경계층 고도 및 도시 지면 플럭스 관측 자료와 비교 분석할 계획이며, 이때 사용할 대기경계층 모수화 방안들은 YSU와 MYJ, QNSE, MYNN, BouLac을 포함한다.

    

    

대기경계층 측정 및 연구 방법에 대한 흐름도

    

  미세먼지는 다양한 물질들로 구성되어 있으며 성분별로 각기 다른 물리·화학 프로세스를 따라가기 때문에 수치 모델을 이용한 모사 과정에서도 다른 물질에 비해 많은 불확실성을 가진다. 이에 대한 과정을 규명하고 개선하기 위해, 관측 자료와 모의 결과와의 상세한 비교분석 연구와 모델 민감도 실험 및 모의 과정 개선 연구를 수행하고 있다.

  오존 및 미세먼지와 같은 대기질 모델링에 가장 큰 영향을 미치는 요소 중 하나는 기상요소라 할 수 있다. 수평, 연직바람성분이나 대기경계층 고도(Planetary Boundary Layer) 등이 대표적인 요소들이며, 특히 대기경계층 고도는 오염물질의 연직 분포에 중요한 역할을 맡고 있는 것으로 알려져 있다. Lena and Desiato(1999)는 연직확산계수와 지표 오염물질 농도가 대기경계층에 의해 크게 변화한다고 하였으며, Tie et al.(2007)은 멕시코시티의 CO, NOX 농도 변화에 있어 대기경계층 높이가 매우 중요함을 밝혔다.
  이러한 대기경계층은 지표에 직접적인 영향을 받는 층이기 때문에 시간에 따라 다른 발달 형태를 보인다(아래 그림)

    

대기경계층의 구조 모식도

    

   대기 중 오염물질은 수평적인 이류에 따라 풍하측으로 이동되면서 난류에 의하여 혼합, 희석되며, 주간에는 지면 가열에 의해 오염물질의 연직 혼합이 활발해진다. 이 때 대기경계층 상부에 존재하는 기온 역전층은 강한 안정층으로서 연직적인 혼합을 억제하므로 대기오염물질의 분포는 기온역전층 하부로 제한되게 된다. 이 기온역전층까지의 높이를 대류혼합층(Convective boundary layer)라 한다(Kim, 1998). 반면 야간에는 지표냉각에 의해 얕은 안정경계층(Stable boundary layer)이 형성된다. 안정 경계층은 야간 경계층(nocturnal boundary layer)이라고도 부르며, 안정 경계층은 따뜻한 공기가 지표 위로 이류해 오는 경우에도 형성될 수 있다. 안정경계층과 자유대기(Free atmosphere) 사이에는 난류 소멸에 의해 대류혼합층의 특성을 이어받은 층이 남게 되는데, 이를 잔류층(Residual layer)라 한다. 대기경계층의 고도와 형태는 시간에 따라 크게 달라질 뿐만 아니라 각 층이 오염물질의 확산과 연직 분포에 대해 다른 특성을 보이기 때문에 정확한 대기경계층 모의는 오염물질 예보의 정확도를 높이는데 매우 중요하다.

   대기질 수치모델에서의 난류 운동은 대기경계층 모수화를 통해 표현되고 난류 혼합에 의해 대기경계층 내에서의 대기상태와 고도를 변경 시킬 수 있다(Kang et al., 2016). 위 그림은 WRF 모델 내의 대기 경계층 생성 과정에 대한 모식도를 나타낸 것이다. 기상모델에서 사용하는 대기경계층 모수화 과정은 열, 수분, 운동량, 구름 성분과 같은 지표 플럭스와 경계층의 에디 플럭스의 재분배에 목적을 두고 있다. 또한 해당 물리과정을 통해 모델은 각 층에서 난류에 의한 연직확산을 모의할 뿐만 아니라 자유 대기의 유입(Entrainment)에 의한 대기경계층의 성장을 고려하게 된다. 이를 위해 현재 기상모델은 크게 TKE scheme과 Non-local scheme으로 구분된 경계층 모수과정을 사용하고 있다. TKE scheme은 각 층의 TKE(Turbulent kinetic energy)를 계산하여 열적 난류와 기계적 난류에 의한 TKE 생성 및 연직 혼합에 의한 분배를 고려한다. 플럭스의 분배는 인접한 층의 경도(gradient)를 이용하여 계산하나, 오직 인접한 층의 경도에 의해 플럭스가 결정되므로 낮에 발생하는 강한 대류에 의한 성장을 과소모의하는 경향이 있다. Non-local scheme은 인접층의 경도에 더해 낮에 발생하는 대규모 에디 수송(Large-eddy transport)을 고려하며, 대기 안정도 지수들을 이용하여 대기경계층 고도를 산출한다. 따라서 지표층 높이에 따라 대기경계층 높이가 민감하게 변하며, 밤에 생성되는 안정층에 의한 혼합을 과소모의하는 경향이 있다(NIER, 2014). 이와 같이 수치 모델 내에서 산출되는 대기경계층 고도는 모수화 방안에 따라 다른 구조를 보이며, 이는 비단 내륙경계층만이 아닌 해양경계층에서도 동일하게 적용된다.

    

수치 모델 내 대기경계층 계산 과정의 모식도

    

  특히 강한 안정층의 경우는 경계층 내의 난류 구조가 맑은 날 복사 속의 발산이나, 하층 제트에 의한 난류, 중력파, 비균질한 지형의 영향 등에 의해 아주 복잡하게 얽혀 있으며, 단기적으로 지속되는 난류가 지표 플럭스와는 무관하게 국지적인 바람의 시어에 의해 발생하기 때문에 이러한 구조를 이해하고 모형에 반영하기에 어려움이 따른다. 이에 따라 안정경계층의 고도 결정에 대해서는 많은 연구자들에 의해 다양한 방법들이 제시되고 있지만 아직 명확한 결정 방법은 확립되어 있지 않다(Hyun et al., 2003). 야간에 복사 냉각으로 인한 지표 역전 강도가 난류에 의해서 얼마나 해소될 수 있느냐에 따라 대기오염물질의 확산과 안개의 발생 조건이 크게 달라질 수 있다는 점을 고려해보면, 광화학 물질과 에어로졸을 모의함에 있어 대기경계층의 구조를 정확하게 파악하는 것이 매우 중요함을 알 수 있다.

    

따라서 대기환경모델링 연구실에서는 고농도 미세먼지 사례일에 대해 지표 대기경계층과 상층 혼합층 발달의 특성을 파악하고 측정자료와 비교 분석함으로서, 오염물질의 연직 구조를 분석하고 모델의 모사 능력을 평가할 수 있다. 또한 혼합고 내 오염물질의 모의 능력 향상은 지표 부근의 연직 분포에 대한 세밀한 정보를 제공함으로써 에어로졸 광학 계수를 산출하는 위성 관측 자료의 정확성 향상에도 기여할 수 있다.