초기 강우에 의한 대기 중 입자상 물질의 크기별 세정 효과 :Washout effect of atmospheric particulate matter in size distribution by initial precipitation

강경구

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자료유형: 학위논문

저자정보: 강경구 (강원대학교, 강원대학교 대학원)

지도교수: 곽경환

발행연도: 2022

저작권: 강원대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (5)

2022

에어로졸 역학 모델을 이용한 초기 강우 시 입자상 물질의 크기별 세정효과 모의

강경구 , 곽경환 , 이현호 한국기상학회 학술대회 논문집 2022.04 학술대회자료

초기 강우에 의한 대기 중 입자상 물질의 크기별 세정 효과

강경구 환경의생명융합학과 2022.01 학위논문

2021

초기 강우에 의한 대기 중 입자상 물질의 크기별 제거 효율

강경구 , 곽경환 한국기상학회 학술대회 논문집 2021.10 학술대회자료

서울시 도로변 대기 중 입자상물질의 입자 크기별 수농도 분포 특성

강경구 , 곽경환 한국대기환경학회 학술대회논문집 2021.10 학술대회자료

2020

봄철 초기 강수의 세정 효과가 대기 중 입자상 물질에 미치는 영향

강경구 , 곽경환 한국대기환경학회 학술대회논문집 2020.10 학술대회자료

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대기 중 입자상 물질은 침적과정을 통해 제거되며, 대표적으로 건식침적과 습식침적이 있다. 이 중 습식침적은 건식침적과 비교하여 짧은 시간에 많은 양의 입자상 물질을 제거할 수 있는 과정이다. 습식침적 중 강우에 의한 세정 효과는 구름 아래에서 빗방울에 의해 대기 중 입자상 물질을 제거하는 과정으로 강우 강도에 비례하고, 입자상 물질의 크기에 따라 제거되는 방식과 효율이 다르다는 특징을 가지고 있다. 선행 연구 결과에 따르면, 입자상 물질의 농도 감소는 로그 함수의 형태를 따르며 강우 초기에 세정 효과에 의한 농도 감소가 크다. 하지만 대부분의 선행 연구들은 강우 시작에서 종료 시점까지의 농도 변화를 기준으로 세정 효과를 보았고, 이는 강우 중 세정효과에 외부적인 효과가 포함된 것으로 정확한 강우 세정 효과를 반영하기 어렵다. 따라서 본 연구는 초기 강우에 대해 입자상 물질의 크기별 세정 효과를 분석하고, 이를 세정 계수의 형태로 제시하고자 한다. 또한 에어로졸 역학 과정이 포함된 박스 모델(Particle Matter DYNamic(PMDYN) model)을 이용하여 초기 강우의 세정 효과에 의한 입자상 물질의 농도 감소를 모의하고, 강우에 의한 입자상 물질의 제거 과정이 대기 중 입자 크기 분포에 미치는 영향을 이해하고자 한다.
강원도 춘천시 강원대학교에서 2018년 11월부터 2021년 6월까지 Optical Particle Counter(Grimm model 1.109)와 Scanning Mobility Particle Sizer(TSI 3910 nanoscan SMPS)와 자동 기상관측 장비(AWS)의 강우량계(RG3-M, Onset Computer)를 동일한 지점에 설치하여 강우량과 입자상 물질의 크기별 농도를 함께 측정하였다. 측정은 강우 예보 최소 6시간 전부터 강우 전후를 포함할 수 있도록 1분 간격으로 수행하였다. 강우 사례는 강우량이 0.2 mm 이상, 강우 지속시간이 3시간 이상이면서 PM10 농도가 10 μg/m3 이상인 사례로 선정하였고, 강우 종료 후 6시간이 지나면 새로운 사례로 구분하였다. 강우 시작 시각은 누적 강우량이 0.4 mm 이상이 되는 시점으로 정하고, 강우 강도는 강우 시작 후 5시간까지의 평균 시간당 강우량을 기준으로 약한 강우와 강한 강우로 구분하였다. 강우 외적인 효과를 최소화하고 세정효과를 분석하기 위해 강우 시작 시점의 농도에서 강우 중(시작~종료) 최소 농도까지의 감소량을 세정효과로 간주하였다. PM2.5 농도 감소는 강우 지속 시간에 대해 약한 강우(R2=0.034)보다 강한 강우(R2=0.596)에서 로그 함수의 형태를 뚜렷하게 보였다. 강한 강우에서는 2 ~ 6 μm인 큰 입자, 약한 강우에서는 80 ~ 130 nm인 비교적 작은 입자의 제거가 뚜렷하였고, 이는 강우 강도에 따른 빗방울 입경의 차이와 입자의 역학 과정에 의한 응집, 성장 등의 영향으로 보인다. 이후 PMDYN 모델을 이용해 세정 효과에 의한 입자 크기별 농도 변화를 모의하여 실제 측정된 농도 감소와 비교하고자 했다.

Atmospheric particulate matter is removed through a deposition process, and representatively, there are wet deposition and dry deposition in the deposition process. Among them, wet deposition is a process in which a large amount of particulate matter can be removed in a short time compared to dry deposition. The scavenging effect by precipitation during wet deposition is a process of removing particulate matter from the atmosphere by raindrops under clouds, and is proportional to precipitation intensity, and has different efficiency depending on the size of particulate matter. According to the results of previous studies, the decrease in the concentration of particulate matter follows the form of a log function, and the decrease in concentration due to the initial washing effect of precipitation is large. However, most of the preceding studies showed the scavenging effect based on the change in concentration from the start to the end of precipitation. However, it is difficult to accurately reflect the precipitation scavenging effect as the external effect is included in the scavenging effect during the precipitation. Therefore, this study analyzes the scavenging effect of particulate matter by size for initial precipitation and presents it in the form of a scavenging coefficient. In addition, it is intended to simulate a decrease in the concentration of particulate matter due to the scavenging effect of initial precipitation using a box model including an aerosol dynamics process, and to understand the effect of the removal of particulate matter on the distribution of particle sizes in the atmosphere.
From November 2018 to June 2021 at Kangwon University, Chuncheon-si, Gangwon-do, Optical Particle Counter (Grimm model 1.109), Scanning Mobility Particle Sizer (TSI 3910 nanoscan SMPS) and precipitation gauge (RG3-M) of automatic weather observation equipment (AWS) Onset Computer) was installed at the same point to measure the precipitation amount and the concentration of particulate matter by size. Measurements were performed intervals of 1 minute to include before and after precipitation from at least 6 hours before the precipitation forecast.
precipitation cases were selected as cases with accumulated precipitation of 0.1 mm or more, precipitation duration of 3 hours or more, and PM10 concentration of 10 μg/m3 or more, and were classified as new cases 6 hours after precipitation.
The start of precipitation was determined when the cumulative precipitation was 0.4 mm or more, and the precipitation intensity was divided into light and heavy precipitation based on the average hourly precipitation for 5 hours after the start of rainfall. In order to minimize the effect outside of precipitation and to analyze the scavenging effect, the amount of reduction from the concentration at the start of precipitation to the minimum concentration during the precipitation (start to end) was regarded as the scavenging effect. The PM2.5 concentration reduction clearly showed a distinct logarithmic function in heavy precipitation (R2=0.596) than in light precipitation (R2=0.034) for the duration of precipitation. It was clear to remove large particles of 2 to 6 μm in strong precipitation and relatively small particles of 80 to 130 nm in light precipitation, and it seems that the difference in droplet size depending on precipitation intensity, aerosol aggregation, growth. Afterwards, the PMDYN model was used to simulate the change in concentration by particle size due to the scavenging effect and compare it with the actual measured concentration reduction.

#강우 세정 효과 #입자상 물질 #크기 분포 #박스모델

Ⅰ. 서론 1
1. 대기 중 입자상 물질 1
2. 강우 세정효과를 반영한 선행연구 4
3. 연구목적 6
Ⅱ. 방법 7
1. 대상 지역 및 대상 기간 7
2. 기상 자료 및 입자상물질 농도 측정 9
3. 분석 방법 12
1) 사례 선정 기준 12
2) 강우 외적인 효과 제거 14
4. PMDYN(Particle Matter DYNamic) 모델 15
5. 입자상 물질 농도 모의 17
Ⅲ. 결과 19
1. 춘천시 AWS, AQMS와 비교 19
2. 강우 초기 입자상 물질의 질량농도 변화 21
3. 회귀분석 23
4. 강우 초기 입자 크기에 따른 농도 편차 26
5. PMDYN 모델을 이용한 입자상 물질 농도 모의 29
Ⅳ. 요약 및 결론 41
□ 참고문헌 43
□ Abstract 48

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