위성자료를 이용한 주요 항구도시에서 가스상 대기오염물질의 칼럼농도 변화 특성 조사 및 이산화질소 혼합비 첫 산출 연구

1. 서 론

최근 선박을 이용한 해상 운송량 증가에 따라 전세계 주요 항구들을 거치는 화물량이 증가하는 추세이다(World Shipping Council, 2015). 이에 따라 선박연료(Heavy Fuel Oil, High Sulfur Fuel Oil, Marine Diesel Oil, Marine Gas Oil 등)의 연소 단계에서 배출될 수 있는 황산화물(SO_X), 질소산화물(NO_X)과 같은 가스상 오염물질(Cullinane and Cullinane, 2013)의 배출량 또한 증가할 것으로 예상된다. 선박 배출 대기오염물질과, 이외의 관련된 항만활동(트레일러, 하역장비)에서 배출되는 디젤 배기가스로부터 NO_X, SO_X, 디젤분진(Particulate Matter) 등이 발생 될 수 있다(Han, 2011). 이와 같은 대기오염물질들이 항만근로자 및 항만 인접 주거지 시민들의 공중보건 및 생활환경에 상당한 악영향을 미칠 수 있다(Song and Han, 2007).

항만 인근의 오염물질 모니터링 연구는 대부분 선박에 지점관측장비를 싣고 오염물질을 측정하는 방식으로 이루어졌다. 지상장비로부터 선박에서 배출될 수 있는 가스상 오염물질(SO₂, NO₂, O₃, CO₂)들의 농도를 측정하여 배출량을 추정하는 연구가 진행된 바 있다(Kattener et al., 2015, 2013). 지점관측장비를 이용한 가스상 오염물질 모니터링의 경우 장비를 직접 선박에 실어야 하며 관측장비를 탑재한 선박에서만 가능하다는 단점이 있다. 반면 광범위한 영역의 모니터링이 가능한 저궤도 환경위성센서를 이용한다면 항구지역이나 항로의 가스상 오염물질 모니터링이 가능할 것으로 보인다. 이에 따라 저궤도 환경위성센서를 이용한 가스상 오염물질의 모니터링 및 배출량 추정 시도 연구가 이루어진 바 있으나(Richter et al., 2004), 선행연구에서 사용한 위성 센서인 SCIAMACHY (SCanning Imaging Absorption spectroMeter for Atmospheric CHartographY)의 공간해상도가 30 km×60 km로 낮기 때문에 대략적인 오염물질 모니터링 및 배출량 파악만이 가능하였다.

이에 따라 위성 기반으로 개선된 공간해상도를 가지고 항만 인근과 선박의 대기 오염을 효율적으로 모니터링할 필요가 있으나 관련된 연구는 부족한 실정이다. 본 연구에서는 13 km×24 km의 공간해상도를 가지는 Aura 위성의 OMI (Ozone Monitoring Instrument) 위성자료를 주로 이용하고, 동일 위성에 탑재된 MLS (Microwave Limb Sounder) 위성자료를 부가적으로 사용하여 2006년부터 2015년 사이 주요 항구도시에서 장기간으로 선박의 연료 연소에 의해 생성될 수 있는 가스상 오염물질(NO₂, SO₂, O₃)들의 농도변화를 확인하였다. 두 번째로, 칼럼농도로 제공되는 이산화질소의 대류권 칼럼농도를 대기질 규제에 이용할 수 있는 행성경계층 내의 혼합비로 변환하고 각 대상지역에서의 이산화질소 혼합비의 장기간 변화 추세를 확인하였다.

2. 연구지역과 자료

연구대상지역은 세계선사협의회 (World Shipping Council)에서 TEU (Twenty-foot Equivalent Unit)에 따라 선정한 ‘2015 World Port Rankings’에 따라 대륙별 주요 항구도시로 선정하였다(그림 1, 표 1). TEU는 20피트 길이의 컨테이너 크기를 부르는 단위로, 항구를 통해 수송되는 TEU의 총량이 많을수록 항구를 통해 수송되는 물자의 양이 많은 것을 의미한다. 10위 이내의 주요 항구는 모두 아시아에 위치하기 때문에 아시아에 해당하는 대상지역으로 10위 이내에 속하는 나라별 주요 항구도시들을 선정하였다. 선정된 항구도시들은 중국의 Shanghai, 싱가포르의 Singapore, 홍콩의 Hong Kong, 한국의 Busan, 아랍에미리트의 Jebel Ali이다. 항구 순위를 기준으로 아시아 외 각 대륙별 주요 항구를 하나씩 선정하였다. 유럽에서는 네덜란드의 Rotterdam, 북미에서는 미국의 LA (Los Angles), 남미에서는 브라질의 Santos, 오세아니아에는 호주의 Melbourne이 선정되었다.

Fig. 1.

The map of regions of interest.

Table 1.

The specific locations and TEUs of the regions of interest.

본 연구에서 사용된 자료로는 Aura 위성의 OMI 센서로 관측한 PBL (Planetary Boundary Layer)층 내의 이산화황 칼럼농도, 대류권 이산화질소 칼럼농도, Aura 위성의 OMI와 MLS 센서 관측으로부터 제공하는 대류권 오존 농도가 있다. 대류권 이산화질소의 칼럼농도를 혼합비로 변환하기 위하여 Aqua 위성에 탑재된 AIRS (Atmospheric Infrared Sounder) 센서의 행성경계층 고도, 대기 온도와 대기 압력 자료를 사용하였다. 본 연구에서 사용된 위성자료의 level과 공간해상도는 표 2에 요약되어 있다. Aura 위성의 발사 일은 2004년 7월 15일이었으며, Aqua 위성의 발사 일은 2002년 5월 4일로 두 위성에서부터 제공하는 자료를 안정적으로 취득할 수 있는 2006년부터 2015년 사이의 선박 연료 연소에 의해 발생할 수 있는 이산화황, 이산화질소, 오존 칼럼 농도의 변화 추세를 확인하였다.

Table 2.

The data used in this present study.

3. 연구 방법

대류권의 이산화질소의 대부분은 행성경계층(Planetary Boundary Layer; PBL) 내에 분포하기 때문에(Lee et al., 2011), OMI로부터 측정된 대류권 이산화질소 칼럼농도와 AIRS로부터 측정한 행성경계층고도(Boundary Layer Height; BLH), 대기 온도, 압력정보로 행성경계층 내의 이산화질소 혼합비를 추정할 수 있다(Kim et al., 2017). 식 (1)은 Kim et al.(2017)에서 이상기체상태방정식을 이용하여 유도한 행성경계층 내의 이산화질소의 혼합비를 추정하는 식이다.

BLH NO₂ VMR_OMI는 행성경계층 내의 이산화질소의 혼합비를 나타낸다. TropNO₂VCD는 OMI로부터 얻을 수 있는 대류권 이산화질소 칼럼농도이며, Gas constant는 8.314472 m³ pa K^-1 mol^-1이고, Avogadro constant는 6.022×10²³ mol^-1이다. BLH_AIRS는 AIRS로부터 측정한 행성경계층의 고도이며, Temp_AIRS와 Pressure_AIRS는 AIRS로부터 측정한 대기 온도와 압력의 행성경계층 내의 평균값이다.

4. 결 과

선박에서 1차로 배출되는 주요 가스상 대기오염물질에는 황산화물(SO_X)과 질소산화물(NO_X)이 있다. 특히 질소산화물은 광화학반응을 통해 2차 대기오염물질인 오존(O₃)을 생성할 수 있다. 그림 2는 항구에서 측정된 행성경계층 내의 이산화황, 대류권 이산화질소, 대류권 오존의 2006년부터 2015년 사이의 10년 평균치와 표준편차를 나타낸 box-whisker plot이다. Santos의 경우 이산화황 관측자료의 결측치가 많아 제외하였다. 행성경계층 내에 존재하는 이산화황의 10년 평균치는 경우 Shanghai에서 약 1.0 DU로 가장 크게 나타난 반면, 다른 항구 지역의 경우 0.5~0.8 DU의 범위로 유사하게 나타났다. 항구 순위가 34위 이하이며 TEU가 각각 3,780, 3,036, 2,638인 Santos, Port Said, Melbourne에서는 대류권 이산화질소의 칼럼농도의 범위가 3.0 ×10¹⁵ molecules cm^-2에서 5.1×10¹⁵ molecules cm^-2로 다른 항구지역에 비해 낮게 나타났다. 10년 평균 대류권 이산화질소 칼럼농도는 세계 항구 순위가 5위인 Hong Kong에서 1.4 ×10¹⁶ molecules cm^-2으로 가장 높게 나타났다. 이는 Hong Kong의 항구가 도심지 인근에 위치해 있어 도심에서 배출되는 NO_X에 대한 영향을 받았기 때문으로 생각된다. 10년 평균 대류권 오존 칼럼 농도는 10위 이내의 아시아 지역의 주요 항구들인 Shanghai, Hong Kong, Busan, Jebel Ali에서 평균 38 DU로 타 대륙의 주요 항구에서의 대류권 오존의 10년 평균값인 32 DU보다 높게 나타났다. 한편 세계 항구 순위 2위인 Singapore의 10년 평균 대류권 오존 칼럼 농도는 21.8 DU로, 적도 인근에 위치해 있어 낮은 위도로 인하여 대류권 오존 칼럼 농도가 다른 항구 지역에 비하여 낮게 나타난 것으로 보인다.

Fig. 2.

Decadal average of PBL SO2, Tropospheric NO2, and Tropospheric O3 over major port cities for 2006~2015.

2006년부터 2015년 사이의 대륙별 주요 항구도시에서의 이산화황, 대류권 이산화질소, 대류권 오존의 10년간 변화 추이를 알아보았다(표 3, 그림 3). 이산화황의 10년간 평균 변화량은 -0.3 DU decade^-1로 감소하는 추세가 나타났다. OMI 위성센서의 공간해상도(13 km×24 km)를 고려했을 때, 항구도시 내에서 항구 외의 이산화황 발생원의 감소에 대한 영향이 있을 수 있으나, 국제해사기구 (IMO, International Maritime Organization)의 SO_X에 대한 배출규제 기준 강화가 지속적으로 이루어지고 있어 이에 대한 영향 또한 있을 것으로 생각된다. 대류권 이산화질소와 대류권 오존 농도는 각각 평균 -1.8×10¹⁵ molecules cm^-2 decade^-1, 2.9 DU로 뚜렷한 감소와 증가 경향이 나타났다. 대류권 이산화질소의 경우 미국의 Los Angles와 유럽의 Rotterdam에서 각각 -6.0 ×10¹⁵ molecules cm^-2 decade^-1, -3.5×10¹⁵ molecules cm^-2 decade^-1으로 큰 감소경향이 나타났으며, NO_X 배출이 상당히 감소한 것으로 보인다. 이는 IMO에서 현재 발트해, 미국 동부 지역을 배출규제해역(Emission Control Area)으로 설정하여 NO_X의 배출 규제 강화에 대한 영향이 있을 것으로 생각된다. 10위 이내의 세계 주요 항구가 분포해 있는 아시아 지역 항구도시의 대류권 이산화질소의 10년 변화 평균은 -1.2 × 10¹⁵ molecules cm^-2 decade^-1으로, 10위권 밖으로 각 대륙별 주요 항구가 위치한 Rotterdam, LA, Santos, Port Said, Melbourne에서의 대류권 이산화질소 평균농도 변화 값인 -2.3×10¹⁵ molecules cm^-2 decade^-1보다 2배 적게 감소한 것을 확인할 수 있다. 세계 1위 항구가 위치한 Shanghai의 경우 TEU가 10년 전보다 2배 증가한 것에도 불구하고 6.2×10¹⁴ molecules cm^-2 decade^-1 만큼 감소하였는데, 이는 중국 내에서 2011년부터 차량과 발전소를 대상으로 시행되고 있는 이산화질소 배출량 감축정책에 의한 것으로 생각된다(Ma et al., 2016).

Table 3.

Decadal trends of PBL SO2, Tropospheric NO2, and Tropospheric O3 over major port cities for 2006~2015.

Fig. 3.

Annual trends of the Tropospheric NO2, PBL SO2, and Tropospheric O3 over major port cities from 2006 to 2015.

선박에서 배출되는 1차 오염물질들에 의해 2차 생성될 수 있는 대류권 오존의 칼럼 농도는 모든 지역에서 증가하는 경향이 나타났다(표 3, 그림 3). 특히 Singapore에서의 대류권 오존칼럼 농도의 변화는 4.9 DU decade^-1으로 가장 크게 나타났다. 아시아 주요 항구도시에서의 대류권 오존칼럼 농도의 변화는 4.4 DU decade^-1, 10위권 밖의 대륙별 주요 항구가 위치한 곳에서의 대류권 오존칼럼 농도 변화는 1.1 DU decade^-1로 나타났다. 오존의 전구물질 중 하나인 질소산화물의 양은 배출량 감축정책으로 인하여 감소하는 경향이 나타난 반면, 실제 대류권 오존 농도는 증가하는 경향이 나타났다. 이와 유사한 경향은 선행연구에서도 나타났다. 추가적인 연구가 필요할 것으로 보이나, 대류권 오존 농도의 증가는 오존의 전구물질 중 하나인 휘발성유기화합물 배출량 변화에 의한 것으로 생각된다(Ma et al., 2016).

본 연구에서는 3. 연구 방법에서 제시하는 방법을 통해 2006년부터 2015년 사이의 지속적인 감소 추세가 나타나는 대류권 이산화질소 칼럼농도를 행성경계층 내의 혼합비로 변환하였다. 하지만 Shanghai, Singapore, Hong Kong에서는 본 연구에서 혼합비 추정을 위해 필요한 AIRS 관측자료의 결측치가 대부분이었기 때문에 혼합비로의 변환이 불가능하였다. 그림 4는 2006년부터 2015년 사이의 이산화질소 혼합비의 변화 추세를 보여준다. Busan, Jebel Ali, Rotterdam, LA, Melbourne에서는 이산화질소의 혼합비가 감소하는 추세(0.64 ppbv decade^-1)가 나타난 반면, Santos, Port Said에서는 행성경계층 내의 이산화질소 혼합비의 변화 추세가 특별히 나타나지 않았다. 대체로 항구 순위가 낮은 Melbourne, Santos, Port Said에서 다른 지역보다 약 2배에서 3배 정도 낮은 이산화질소 혼합비 수치가 나타났다.

Fig. 4.

Annual trends of the retrieved surface level NO2 mixing ratio over Busan, Jebel Ali, Rotterdam, LA, Melbourne, Santos, and Port Said from 2006 to 2015.

그림 5는 각 항구 도시별 10년 평균 이산화질소 혼합비 변화 값을 보여준다. 표 3에서 이산화질소의 칼럼농도가 가장 많이 감소한 LA에서 이산화질소의 혼합비는 10년 동안 약 1.5 ppbv 감소한 것으로 나타났다. 유럽의 Rotterdam, 오세아니아의 Melbourne, 아시아의 Busan과 Jebel Ali에서의 10년 동안의 이산화질소 혼합비 감소량은 각각 1.1, 0.8, 0.7, 0.5 ppbv로 나타났다. 별다른 변화 추세를 보이지 않았던 Santos와 Port Said에서는 -0.1, 0.2 ppbv 만큼 변화하였다.

Fig. 5.

Decadal trends of retrieved surface level NO2 mixing ratio over Busan, Jebel Ali, Rotterdam, LA, Melbourne, Santos, and Port Said from 2006 to 2015.

5. 결 론

본 연구에서는 주요 항구지역에서의 위성 기반 초분광 환경위성센서인 OMI로부터 제공하는 가스상 오염물질(SO₂, NO₂, O₃)의 칼럼농도 자료를 이용하여 장기간 동안의 오염물질의 농도 변화를 살펴보았다. 또한 감소추세가 나타나는 대류권 이산화질소의 칼럼농도를 대기질 규제에 이용할 수 있는 혼합비로 변환하여 이산화질소 혼합비의 변화 추세를 확인해 보았다.

주요 항구지역에서 위성 기반으로 측정한 행성경계층 내 이산화황과 대류권 이산화질소의 칼럼농도는 각 항만에서의 물동량이 장기간 동안 증가하는 것에 반하여 감소하는 경향을 보였다. 이는 IMO의 SO_X와 NO_X의 배출량 규제와 도심 내의 NO_X 배출량 규제에 의한 것으로 생각된다. 대류권 오존의 전구물질인 이산화질소의 칼럼농도가 감소함에도 불구하고, 대류권 오존칼럼 농도의 증가추세가 뚜렷하게 나타났다. 향후 오존 칼럼 농도의 증가와 휘발성유기화합물 농도 사이의 상관관계 분석이 필요할 것으로 보이지만, 항구도시지역에서 휘발성유기화합물의 배출량 변화에 의한 것으로 생각된다(Ma et al., 2016). 이산화질소 혼합비의 변화 추세는 이산화질소 칼럼농도와 유사하게 Santos와 Port Said 항구를 제외하고는 모든 지역에서 감소하는 경향이 나타났다.

지난 2017년도 10월에 현존하는 위성센서보다 더 나은 공간해상도(7 km×7 km)를 가지는 Sentinel-5 Precursor 위성의 TROPOMI (TROPOspheric Monitoring Instrument)센서가 발사되었다. 현재 궤도상시험(In-Orbit Test) 중에 있어, 가까운 시일 내로 관측자료가 제공될 예정이다. TROPOMI는 자외선, 가시광선, 근적외선 밴드를 탑재하여 선박에 의한 대기오염과 관련된 일산화탄소, 포름알데하이드, 메탄, 이산화질소, 이산화황, 오존을 포함하는 다양한 대기 오염물질을 측정할 수 있다. 향후 TRPOMI 관측자료를 이용하여 항만 인근 오염뿐만 아니라 항로에서의 오염물질 배출량 추정의 정확도 또한 향상될 것으로 생각된다.

Acknowledgments

이 연구는 기상청 “기상·지진See-At기술개발연구”(KMI2018-02610)의 지원으로 수행되었습니다.

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