2010년 3월 극심한 황사사례의 발생 및 수송과정에 관한 연구

1. 서 론

우리나라에 영향을 주는 황사현상의 대표적인 발원지는 우리나라에서 약 5,000 km 떨어져 있고 산맥으로 둘러싸인 타클라마칸 사막, 1,000 m 이상 고도에 위치하고 연 강수량이 200 mm 이하의 건조지역인 몽골 지역, 그리고 중국과 몽골의 경계지점인 고비사막과 황토고원 등으로 알려져 있다 (Chun et al., 2001; Sun et al., 2001; Gao et al., 1992; Yoon, 1990). 이러한 황사는 산성화된 토양을 중화시키는 긍정적인 측면도 있지만 (Kim, 2002), 최근 중국의 산업활동 증가와 교통량의 증가에 따라 모래먼지의 수송과정에서 중국의 공업/산업지역 및 대도시의 상공에 부유하고 있는 유해 오염물질을 포함하여 유입되기 때문에 (Yu et al., 2006), 국민의 건강에 피해를 주는 것은 물론 시정악화로 인한 항공기 운항의 어려움, 먼지입자의 침착에 의한 기기 문제발생 증가 등 다양한 산업과 환경에 큰 피해를 유발한다고 알려져 있다 (Korea Environment Institute (KEI), 2004; Kwon et al., 2002; Monn et al., 1997).

황사의 발원지에 근접하고 편서풍의 풍하측에 위치한 우리나라는 지리·기상학적인 요인에 의해 황사 영향을 크게 받고 있다. 특히 봄철과 겨울철에 황사 영향이 크고 가을철에도 황사발생 빈도가 조금씩 늘고 있다 (Song and Kim, 2005; Kim et al., 2004; Choi et al., 2002; Chun et al., 2000). 황사의 영향범위는 매우 넓어 때로는 우리나라를 넘어서 일본과 북태평양 그리고 북미까지 장거리 수송되기도 하므로, 많은 연구자들은 이 지역을 중심으로 황사 발생 및 수송과정을 규명하고 피해를 예방하기 위한 예측연구를 수행하여 왔다 (Tsai et al., 2014; Song et al., 2008; Uno et al., 2006, 2001; Ginoux et al., 2001; Hacker et al., 2001; Husar et al., 2001). 한편 황사 수치모의의 예측정확도를 향상시키기 위해 오래전부터 모델링 기반의 황사 배출량 산출과 관련한 많은 연구가 진행되어 왔다 (Shao et al., 2002; Gillette and Passi, 1988; Westphal et al., 1988). 우리나라 또한 황사 배출량을 임계마찰속도와 발원지의 지표면 특성을 고려하여 산정한 바 있고 (Zender et al., 2003; In and Park, 2002; Ginoux et al., 2001; Wang et al., 2000), 이를 기반으로 하여 기상청은 먼저 ADAM (Asian Dust Aerosol Model)(In and Park, 2003) 모델을 통해 황사연구를 진행하였으며, 최근에 와서는 ADAM2 모델을 이용하여 황사의 단기예측 연구를 수행하고 있다 (http://www.kma.go.kr/weather/asiandust/prediction.jsp). 이외에도, 일기도를 이용한 종관기상장 분석 연구 (Song and Kim, 2007; Kim et al., 2006; Kim and Song, 2004), 라이더, 썬포토메터, 인공위성 등을 이용한 황사의 광학특성 연구 (Chun et al., 2001) 등이 있다.

우리나라는 최근 황사의 피해가 점차 커지고 있고 이에 따른 황사 발생에 대한 관심이 고조되고 있기 때문에 황사연구는 지속적으로 필요한 실정이다. 최근 10여 년간 (2005~2014년) 한반도에 관측된 황사 사례를 보면 (Korean Ministry of Environment, 2015), 본 연구사례일을 제외하고는 최고농도가 1시간 평균 413 (2012년 경기)~2,941 μg/m³ (2006년 서울)로 나타났으나, 본 연구의 3월 20일 PM₁₀ 농도는 대구 노원동에서 1시간 평균 3,135 μg/m³, 제주도 서귀포 동홍동에서 2,985 μg/m³을 기록하였다. 이것은 황사경보 1시간 평균 농도에 비해 약 4배 높은 수치이며, 최근 10여 년 동안 가장 강한 황사사례라고 할 수 있다 (http://www.ytn.co.kr/_ln/0108_201502231312401101). 본 연구는 사례연구로써, 최근 우리나라에 나타난 최악의 황사 사례일 (2010년 3월 20~21일)을 대상으로 황사의 발생, 발원지에서 한반도로의 수송되는 모습, 황사 수송시의 종관기상조건 및 농도분포, 그리고 황사의 영향범위 예측 등을 일기도, PM₁₀ 농도, 위성영상 자료와 3차원 기상-대기질 모델링의 수치모의 결과를 이용하여 상세하게 분석하였다.

2. 재료 및 방법

2. 1 연구기간 및 방법

본 연구에서는 최근 나타난 최악의 황사 사례일 2010년 3월 20~21일과 사례일 전후를 대상으로 황사의 발생 및 수송과정 그리고 PM₁₀ 농도의 분포특성을 살펴보기 위하여, 연구기간의 동아시아 영역의 종관일기도, 정지궤도위성 (MTSAT-1R)의 적외선광학두께지수 (IODI: Infrared Optical Depth Index) 영상자료, 우리나라 주요 도시의 시간별 PM₁₀ 농도자료 등을 이용하였다. 종관일기도와 IODI 영상자료는 각각 기상청과 국가기상위성센터 (http://nmsc.kma.go.kr/)에서 제공받아 활용하였으며, PM₁₀ 자료는 환경부 산하 주요 도시 내 대기질 측정지점 (특히, 대구의 노원동과 서귀포의 동홍동)에서 관측한 시간별 자료이다. 이 외에도, 연구사례일의 한반도 전역에 대한 PM₁₀ 농도 분포 특성을 알아보기 위하여 대기환경연보에서 제공하는 도시 내 지점별 최고농도를 이용하였다 (Korean Ministry of Environment, 2011).

수치모델링을 통한 황사의 발생기작과 수송과정을 살펴보기 위하여 3차원 중규모 기상 및 대기질 모델링을 수행하였으며, 수치모의 결과를 이용해 동아시아 영역 (한반도 포함)에서의 황사농도에 대한 시·공간분포 특성을 분석하였다. 또한 고도에 따른 황사농도의 연직단면도를 분석하여 황사의 발생과 발원지로부터 수송되는 과정에 대해 살펴보았다. 여기서 연직단면도는 황사가 많이 배출되는 주요 발원지 (고비사막, 몽골 등)의 위치와 발원지에서 한반도까지 수송되는 과정 등을 자세히 파악하기 위하여 총 4개의 위도 (50°N, 42°N, 38°N, 33°N)를 중심으로 단면선을 작성하여 연직단면도를 분석하였다 (그림 1). 이외에도, 모델결과의 신뢰성을 평가하기 위하여 우리나라 주요 도시 (서울, 광주, 대전, 부산, 대구, 제주)의 기상관측지점에서 관측된 시간별 기온, 풍속과 모델에서 계산된 최하층 값 (Sigma level=0.999)을 비교분석하였다. 이용된 통계 변수는 IOA (Index Of Agreement), RMSE (Root Mean Square Error), MBE (Mean Bias Error)이다. 아울러 우리나라에서 가장 높은 PM₁₀ 농도를 기록하였던 대구시 (14 지점)와 제주도 (3 지점)의 농도 자료를 이용하여 황사 수치모의 결과와의 비교·검증을 수행하였다. 본 연구에 이용된 기상 모델과 대기질 (황사) 모델에 대한 자세한 설명은 2.2절에 나타낸다.

Fig. 1.

Coarse (Domain 1) and nested fine domains (Domain 2) for the WRF model. A-A′ (50°N), B-B′ (42°N), C-C′ (38°N), and D-D′ (33°N) indicate the vertical cross-section lines.

3. 결과 및 고찰

3. 1 관측 자료를 이용한 황사의 발생 및 수송과정 분석

그림 2는 본 연구사례일인 2010년 3월 20일~21일에 나타난 전국 주요 도시의 시간별 PM₁₀ 최고 농도 (그림 2(a))와, 대구의 노원동과 제주도 서귀포 동홍동 지점에서 관측된 PM₁₀ 농도의 시계열 (그림 2(b))을 나타낸다. 전국 주요 도시 중 최고의 PM₁₀ 농도가 관측된 곳은 대구 노원동으로 약 3,100 μg/m³이었고, 그 다음으로 서귀포 동홍동에서 3,000 μg/m³에 이르는 수치를 나타냈다. 반면, 충남의 모종동과 서울의 대치동에서 각각 약 900 μg/m³과 600 μg/m³으로 가장 낮은 농도를 보였다 (그림 2(a)). 가장 고농도가 관측된 대구의 노원동과 서귀포 동홍동의 PM₁₀ 농도 시계열을 보면 (그림 2(b)), 3월 20일 06시부터 20일 16시 이전까지는 대략 300 μg/m³ 이하의 PM₁₀ 농도가 관측되었다. 이후 20일 19시~20시에 농도가 급증하여 (약 1,000~2,000 μg/m³ 이상) 20시~23시 사이에 최고 수치 (약 2,500~3,000 μg/m³)를 보였으며, 다시 그 이후로 급격히 감소하였다. 또한 서귀포 동홍동의 경우 대구 노원동에 비해 황사영향으로 인한 농도 증가 시각이 조금 빠르고 상대적으로 오랜 시간 지속되는 특징을 보였다. 이외에도 황사영향이 거의 없는 20일 오전시간대에는 노원동 지점이 동홍동 지점보다 조금 높은 PM₁₀ 농도가 관측되었는데, 이는 일반적인 대도시 패턴으로 대구지역이 제주도와 비교하여 다소 대기질이 좋지 않음을 시사한다.

Fig. 2.

(a) The highest PM10 concentrations (hourly mean) recorded in several cities and districts of South Korea and (b) time series of hourly mean PM10 concentrations observed at Nowon-dong (Daegu) and Donghong-dong sites (Jeju-do) during an Asian dust event (20 ~21 March 2010).

그림 3은 황사사례일을 포함한 전후 시간대에 대한 일기도 및 위성영상을 나타낸다. 위성영상은 정지기상위성 MTSAT-1R의 적외광학두께지수 (IODI) 영상이며, IODI는 청천지표복사와 황사층을 통과한 복사의 비율을 이용하여 황사의 강도를 지수로 나타낸다 (Jung et al., 2014). 3월 18일 18시 (09 UTC) 일기도를 보면 바이칼 호 서남쪽 부근의 등압선 패턴이 조밀한 지역 (투바공화국과 몽골의 서쪽 경계, 45~50°N, 90~95°E 부근)에서 강한 기압경도력이 형성되고 (서고동저 기압배치), 이는 황사먼지를 상층으로 부유시킬 수 있는 강한 기류 (약 10 m/s)를 유발한다 (그림 3(a)). 한편, 위성영상에서는 이 시간대에 황사신호가 구름에 가려져 잘 나타나지 않았다. 이때 고기압 중심부와 저기압 중심부의 기압 차이는 약 40 hPa이었다. 19일 09시 (00 UTC)에는 18일 18시에 나타났던 서쪽의 고기압이 발원지 부근에 위치한 저기압을 밀어내면서 빠르게 이동하고 있고, 위성영상에서도 황사신호가 나타났다 (그림 3(b)). 이후 19일 18시의 일기도와 위성영상에서는 고비사막과 내몽골 부근에서 조밀한 등압선과 함께 강한 기류 및 황사신호가 각각 나타났으며, 18일의 서풍 기류와 합쳐져 더 빠르게 남동진하는 모습을 확인할 수 있다 (그림 3(c)). 이렇게 합쳐진 강한 기류는 다량의 황사먼지를 일으키는 원인이 될 수 있으며, 또한 발원지 주변의 강한 저기압은 황사먼지를 높은 고도까지 부양시킬 수 있다.

Fig. 3.

Surface weather charts and MTSAT-1R IODI (Infrared Optical Depth Index) image in East Asia at (a) 18 LST on 18 March, (b) 09 LST on 19 March, (c) 18 LST on 19 March, (d) 09 LST on 20 March, (e) 21 LST on 20 March, and (f) 09 LST on 21 March 2010.

20일 09시경에는 동중국에 위치하는 공업단지 주변까지 황사먼지가 이동되는 모습이 기압배치의 이동과 함께 관측되었으며, 20일 21시경에는 저기압 후면을 따라 강한 황사가 광범위하게 남한 전체를 완전히 뒤덮는 모습을 확인할 수 있다 (그림 3(d)~3(e)). 이때 저기압 후면의 상층에 존재하는 강한 기압골이 남한지역을 통과하면서 상층기류의 수렴에 의한 하향운동이 발생하게 되고, 이로 인해 하층대기는 물론 지상부근까지 황사농도가 증가하는 원인이 된 것으로 해석된다(Uno et al., 2004; Kim et al., 2002). 이러한 종관기상 특징은 2010년 3월 20일 늦은 오후 또는 야간에 우리나라의 주요 도시에서 PM₁₀ 농도가 급증한 주요 원인이 되어 그 시간대에 고농도 PM₁₀이 관측되었으며, 또한 최고농도가 나타나는 시간대도 대체로 유사하였다 (그림 2). 한편, 21일 09시에는 우리나라를 완전히 벗어나 일본방향으로 황사먼지가 이동하였음을 알 수 있다 (그림 3(f)).

본 황사사례일 (3월 20~21일)의 종관기상 특징은 주요 발원지인 고비사막 (및 주변지역)에서 발생하여 우리나라로 수송해오는 전형적인 패턴 (약 3일 내외, 약 1~3 km 및 3~5 km 수송고도)과는 조금 다르다 (Park, 2014; Moon et al., 2011; Yoon, 1990). 요약하면, 3월 18일 투바공화국과 몽골의 서쪽 경계지점에서 조밀한 등압선 패턴으로 인해 강한 기압경도력이 발생하고 이는 강한 기류 (서풍)를 유발하게 된다. 이러한 강한 서풍 기류가 다음 날 고비사막 및 주변지역에서 발생한 기류와 서로 합쳐져 비교적 높은 고도에서 매우 빠른 속도 (약 1~2일)로 남동진하는 패턴이다. 또한 바이칼 호의 서쪽에 위치한 강한 고기압이 남동쪽에 위치한 저기압을 빠르게 밀어내면서 황사를 포함한 강한 기류가 우리나라로 유입된 것으로 사료된다 (Jung et al., 2014). 국내 다른 황사사례일의 발원지 주변 저기압과 고기압의 기압 차이는 대략 20~30 hPa (Yang, 2016; Kang et al., 2012; Moon et al., 2011)인데, 본 연구사례일의 기압 차이는 약 40 hPa (그림 3(a)~3(c))으로서 상대적으로 기압경도력이 크게 작용하고 우리나라 쪽으로 기류가 이동하면서 고비사막 및 내몽골 주변의 기류와 합쳐져 보다 많은 황사 부유/배출과 보다 빠르게 황사가 이동된 것으로 판단된다. Moon et al. (2011)에 의하면, 2009년 3월 17일 황사 사례는 상공 1~3 km를 통과하면서 상대적으로 약한 황사가 나타났다는 연구결과를 발표한 바 있다. 한편, 일기도와 위성영상은 구름 등의 요인으로 인해 황사 발생 위치와 수송과정을 정확하게 파악하는 데 일부 한계가 있어, 본 연구에서는 3차원 기상-대기질 수치모델링을 수행하였고 그 결과 분석을 3.2절에 나타낸다.

3. 2 황사 발생 및 수송과정의 수치모의

수치모의 분석에 앞서 그림 4는 임계마찰속도 (u_*t)를 이용하여 산출한 황사 배출량과 INTEX-B (동아시아 영역) 및 CAPSS (남한 영역)를 활용한 인위적 PM₁₀ 배출량의 시·공간 분포를 나타낸다. 황사 배출량 분포를 보면 (그림 4(a)), 3월 18일 12시부터 (그림 제외) 18시경에 바이칼호 서남쪽 부근 (45~50°N, 90~95°E 부근)에 황사먼지가 배출되었다 (최고 약 1,000 mg/h/m²). 이 지역은 몽골 서쪽 부근과 투바공화국의 경계지점으로 크게 알려지지 않은 사막이 위치하고 있다. 이후 19일 06시에 배출이 조금 약해지다가 다시 19일 12시부터 18시까지 고비사막과 내몽골에서 강한 황사배출 (최고 약 1,300 mg/h/m²)이 나타났다. 특히 배출면적과 강도로 봤을 때 19일 18시경에 가장 많은 양의 황사먼지가 배출된 것으로 추정된다. 전반적으로 황사 배출량의 시·공간 분포는 일기도와 위성영상의 분포 패턴과 유사한 것으로 사료된다. 그림 4(b)의 인위적 PM₁₀ 배출량 분포를 보면, 전체적으로 중국 동쪽의 공업단지 부근에서 엄청난 양의 배출과 한반도에는 상대적으로 적은 양이 배출되었다. 예를 들어, 3월 19일 06시에는 50 mg/h/m² 정도의 다소 적은 배출량을 보이는 반면, 19일 12시경에 약 3배가량 늘어난 100~150 mg/h/m² 정도의 많은 배출량이 추정되었다. 또한 중국공업단지 등에 의한 PM₁₀ 배출량은 황사발원지에서의 배출량에 비해 약 10배 정도 낮은 수치를 보이므로, 우리나라의 PM₁₀ 고농도 현상은 중국 발원지의 황사에 의한 영향이 매우 클 것으로 예상된다.

Fig. 4.

Spatial distributions of (a) hourly Asian dust emissions (mg/h/m2) calculated by threshold friction velocity (u*t) and vegetation information, as shown in Eq. (1) and (b) PM10 emissions derived from INTEX-B (for East Asia) and CAPSS (for South Korea) at the surface layer of the study area.

그림 5는 수치모의를 통해 추정된 황사 농도와 바람벡터 및 풍속의 시·공간분포를 나타낸다. 2010년 3월 18일 18시경에 다량의 황사가 배출되었던 (그림 4) 바이칼 호의 서남쪽 부근 (투바공화국과 몽골지역의 경계지점)에서 고농도의 황사 (최고 8,000~9,000 μg/m³ 정도)가 추정되었으며, 19일 18시에는 고비사막, 내몽골, 황토고원 부근에서 다시 매우 높은 농도 (최고 약 9,500 μg/m³)의 황사가 모의되었다. 또한 3월 19일 18시 이후부터 20일 12시 사이에 황사의 공간분포는 계속 남동진하여 우리나라 서해 부근으로 빠르게 (약 10 m/s 이상) 다가서고 있다 (약 3,000~3,500 μg/m³). 이후 20일 22시경에는 황사 (약 3,000 μg/m³)가 우리나라 전역 (특히 남부지역과 제주도)을 뒤덮는 공간분포였으며 (그림 5의 맨 아래), 그 이후로 서서히 우리나라를 완전히 벗어나 일본 방향으로 진행하게 된다 (그림 제외). 이러한 황사의 수송과정은 그림 3의 종관패턴처럼 바이칼 호 서남쪽에서 발생한 강한 서풍 기류와 고비사막 부근의 기류가 합쳐져 매우 빠른 속도로 다량의 황사먼지가 이동된 것으로 사료된다.

Fig. 5.

Spatial distributions of hourly mean Asian dust concentrations (μg/m3), horizontal wind vectors (m/s, arrow), and wind speed (m/s, contour) simulated by the WRF-CMAQ modeling system in the study area.

수치모의 결과의 신뢰성 평가를 위해 우리나라 주요 도시를 대상으로 수행한 기온과 풍속의 통계 검증 (IOA, RMSE, MBE 등)을 표 1에 제시하였다. 기온의 경우 강릉 (0.7 IOA)을 제외하고 대부분 0.8 이상의 높은 IOA를 나타내고 있으나, 모델값이 관측값과 비교해 약 2~4℃ 정도 과소평가 되고 있으며 RMSE도 약 3~ 4℃ 정도를 나타내고 있다. 강릉지역은 상대적으로 좋지 않은 결과 (가장 낮은 IOA와 높은 RMSE)를 보였다. 풍속의 경우는 강릉, 대전, 대구를 제외하고 대부분 0.6 이상의 IOA를 나타내며, 모델값이 관측값에 비해 약 1~2 m/s 정도의 과대평가, 약 2~4 m/s 정도의 RMSE를 나타낸다. 그러나 강릉, 대전, 대구는 제주를 포함한 다른 도시와 비교하여 풍속에서 다소 낮은 IOA (약 0.4~ 0.6), 약 3~5 m/s 과대평가, 높은 RMSE (4 m/s 이상)를 보였다. 따라서 일부 도시를 제외하고 대부분 지역에서의 통계 검증은 모델결과의 신뢰성을 뒷받침해주고 있으며, 기상에 따른 황사 수치모의 결과를 해석하는 데 적절하다고 사료된다.

Table 1.

Statistical evaluation of meteorological variables between observations and model-predicted values: results compared at several monitoring sites in major cities of Korea during the simulation period (01 LST 18 March~00 LST 22 March).

황사 발생과 수송과정을 보다 정확하게 살펴보기 위하여 고도-경도의 연직단면도를 분석하였다 (그림 6). 그림에 나타난 각 단면선은 그림 1에서 제시한 총 4개의 위도 (50°N, 42°N, 38°N, 33°N)를 중심으로 자른 단면선을 나타낸다 (A-A′, B-B′, C-C′, D-D′). 3월 18일 18시부터 시간이 경과하면서 바이칼 호의 서남쪽 부근 약 5~8 km 상공에 매우 높은 농도의 황사가 모의되었으며 (A-A′), 19일 18시에는 비슷한 농도 수준의 황사가 고비사막 부근에서 나타났다 (B-B′). 이러한 높은 고도에서의 황사 수송은 일기도에서 나타난 강한 저기압의 형성이 주요 원인인 것으로 사료된다 (그림 3). 20일 12시에는 상대적으로 낮은 농도의 황사가 우리나라 서해 부근으로 빠르게 진행하고 (C-C′), 20일 22시경에는 저기압 후면의 상층 기압골이 남한지역을 통과하면서 기류의 하향운동으로 인해 우리나라 남한지역 및 제주도 지표부근에 도달하는 수송패턴이었다 (D-D′).

Fig. 6.

Longitude-altitude cross sections for the concentrations of Asian dust (μg/m3) simulated by the CMAQ model in the study area.

그림 7은 황사 수치모의 (WRF-CMAQ 모델링 시스템) 결과와 관측값을 비교하기 위한 시계열 그림을 나타낸다. 그림 2에서 알 수 있듯이, 우리나라 주요 도시 중에서 가장 PM₁₀ 농도가 높았던 대구와 제주도를 대상으로 비교하였다. 다만, 수치모델의 결과값은 약 10 km 격자 해상도에서 추출된 황사 (PM₁₀ 포함) 농도이므로 관측지점의 위경도와 정확하게 일치하지 않는다는 점을 감안하여 대구와 제주도의 전체 측정지점 (각각 14개와 3개 지점)에 대해 분석하였다. 전반적으로 수치모의 결과와 관측값의 시간변화는 유사하게 나타났다. 즉, 모델값과 관측값 모두 3월 20일 늦은 오후부터 (18~19시경) 농도가 증가하기 시작하여 21~23시 사이에 최고 농도가 나타났다. 한편 대구지역에서 수치모의 결과 (약 1,000 μg/m³)는 관측값 (약 3,000 μg/m³)에 비해 상당히 과소모의 된 반면, 제주도에서는 상대적으로 서로 유사한 농도 수준 (약 2,500~3,000 μg/m³)을 보였다. 제주와 비교하여 대구에서의 이러한 차이는 앞서 언급한 격자 해상도의 한계로부터 오는 수치모델링의 불확실도 (uncertainty)와 기상모델 평가 (기온과 풍속, Table 1)에서 나타난 상대적으로 낮은 IOA, 2배 정도 높은 과대평가, 높은 RMSE 등이 주요 원인으로 추정된다. 또한 대구 및 제주지역에서 모의된 농도는 대부분의 측정지점과 비교하여 1~2시간 빨리 최고 농도가 나타났으며, 지속시간도 다소 짧게 모의 되었는데, 이것은 종관기상 (일기도 패턴) 및 위성영상 (그림 3)에서처럼 강한 서풍 기류와 기류의 빠른 움직임이 주요 원인인 것으로 추정된다. 이외에도, 황사사례일의 우리나라 주요 도시를 대상으로 황사배출과 인위적 배출에 의한 농도 수준을 서로 비교한 결과 (그림 제외), 황사배출에 의한 농도가 평균적으로 약 5배 (서울)~50배 (제주) 정도 높게 추정되어 본 연구사례일은 황사배출로 인한 영향이 훨씬 지배적인 것으로 볼 수 있다.

Fig. 7.

Comparison between the observed PM10 concentrations and modeled Asian dust (including PM10) concentrations (μg/m3) at (a) 14 air quality monitoring sites in Daegu and (b) 3 air quality monitoring sites on Jeju Island from 00 LST on 20 March to 08 LST on 21 March 2010.

4. 요약 및 결론

본 연구는 최근 10여 년간 한반도에서 가장 극심했던 황사발생일의 사례연구로써 (2010년 3월 20~21일, 최고 약 3,000 μg/m³의 PM₁₀ 농도), 황사의 발생기작과 수송과정 등을 관측 자료 (일기도, 위성영상 자료 등)와 수치모델링을 통해 살펴보았다. 본 연구사례일의 황사 발생과 수송과정에 영향을 주는 종관기상은 바이칼 호 서남쪽 부근 (투바공화국과 몽골의 서쪽 경계)의 등압선이 조밀한 지역에서 강한 기압경도력이 형성되어 강한 기류가 발생하고 (3월 18일), 이 기류는 고비사막과 내몽골 주변의 기류 (3월 19일)와 합쳐져 빠른 속도로 다량의 황사먼지가 수송되는 특징이었다. 즉, 바이칼 호 서남쪽 부근에서 다량의 황사가 배출되고 그 이후로 고비사막과 내몽골 부근에서 재차 많은 양의 황사먼지가 발생한 강한 황사사례로서, 이렇게 배출된 황사먼지가 강한 서풍 기류를 타고 우리나라로 유입된 것으로 사료된다. 또한 발원지 주변의 강한 저기압의 형성으로 인해 일반적으로 잘 알려진 주요 황사 수송고도 (약 3~5 km)보다 조금 높은 5~8 km 고도에서 수송되어 우리나라로 유입되는 패턴이었다. 이러한 종관기상의 특징은 본 연구사례일의 황사 배출량에 대한 시·공간 분포와 황사 발생과 수송과정에 대한 수치모의 결과 (황사농도의 공간 분포와 연직단면도)에서 잘 뒷받침되고 있다.

본 연구에서의 황사 수치모의 분석을 통해 종관기상학적 (일기도 등) 해석의 한계점을 보완하며, 황사 발생 및 수송과정을 보다 상세히 이해하게 되었다. 또한 많은 연구에서 황사의 주요 발원지는 고비사막 및 내몽골, 황토고원으로 알려져 있는데, 다양한 발생 및 수송 패턴 (배출량, 수송고도, 기상조건 등)의 황사사례에 대한 정확한 해석을 위해서는 주요 발원지에서의 황사연구뿐만 아니라 그 외 여러 건조지역에서의 황사 발생, 수송과정, 영향에 대한 연구와 병행하여 종합적인 분석이 필요하다고 사료된다. 따라서 향후 우리나라에서 관측되는 여러 고농도 황사사례일의 다양한 수치모의 분석을 통하여 보다 정확한 황사 발생 (발원지 규명) 및 수송과정과 영향지역의 고농도현상에 대해 면밀한 원인규명이 요구된다.

Acknowledgments

이 연구는 기상청 기후변화감시예측 및 국가정책지원강화 사업 (KMIPA 2015-2050)의 지원으로 수행되었습니다.

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