국내외 배출 변화에 따른 남한 PM2.5 농도의 민감도와 비선형성 검토 - 유승희 (The Graduate School, Ajou University, 2022)
PM2.5은 2차 생성물질로 배출-농도 관계에서 비선형성을 보이며, PM2.5 농도 저감 정책 수립 시 이에 대한 고려가 필요하다. 본 연구에서는 국내외 배출량 변화에 따른 국내 PM2.5의 민감도 및 비선형성을 검토하고, 이를 이용하여 배출량 변화에 따른 국내 PM2.5 농도를 예측할 수 있는 약식 방법론을 제안하였다. 본 연구에서는 국내외 배출량 변화에 따른 국내 PM2.5 농도의 감소를 수치 모사 이용하여 통해 살펴보았다. 이때의 대상기간은 1차 계절관리제 기간인 2019년 12월부터 3월까지 수행하였으며, 배출물질은 PM2.5 농도의 주요한 물질인 PPM2.5, NOX, SO2, VOC, NH3 을 선정하였다. 또한, 배출량 저감율은 개별 배출물질별로 20, 35, 50%으로 설정하였다. 국내외 배출 물질별로 국내 PM2.5 농도 감소에 중요한 배출물질을 확인하였다. 국내 PM2.5 농도를 감소시키기 위해 국외 (중국)과 국내 모두 1차 PM2.5 배출량 관리가 우선적으로 수행되어야 하며, 그 다음 NOX, NH3에 대한 배출량 관리가 필요하다. 중국의 Primary PM2.5 (PPM2.5) 및 NOX배출량 35%변화 시 PM2.5농도 감소는 타 지역에 비해 경기도에서 PM2.5 농도 감소 (-7.4, -7.5 ㎍/㎥)가 가장 크게 나타났으며, 반대로 부산에서 PM2.5 농도 감소가 -2.1, -1.8 ㎍/㎥로 가장 적은 농도 감소를 보였다. 이는 국내 풍상 지역인 중국 배출량 저감 시 지리적인 영향으로 중국과 인접한 서쪽 지역에 PM2.5 농도 감소 효과 크게 나타났으며, 상대적으로 거리가 먼 지역의 경우 그 효과가 적어지는 것을 확인하였다. 국내 배출량 저감에 따른 영향을 살펴보면, 1차 대기오염물질인 PPM2.5는 전국에 동일한 배출 비율을 저감 하더라도 지역간 배출 저감량 차이로 인한 PM2.5 농도 감소량이 차이가 지역마다 다르게 나타났다. 국내 NOX 배출량 변화 시 전북 (-1.0 ㎍/㎥), 광주 (-0.7 ㎍/㎥)에서 PM2.5 감소 효과가 높았으며, 서울 및 수도권 PM2.5 감소 효과가 적게 나타났다. 이는 2차 초미세먼지 생성에 관여하는 NOX 배출량 (국내) 저감 시 지역간 농도 감소량 차이 및 지역간 존재하는 ‘AdjGR (Adjust Gas Ratio)’와 ‘NOX-disbenefit 효과 ’차이에 의해 PM2.5 농도 변화가 다르게 나타났다. 현재 수치 모사에서 이용되는 배출목록에는 아직까지 미 발굴 배출량 등 여러가지의 불확도가 존재하지만, 그 중 NH3 배출량에 대한 불확도가 큼으로 이에 대한 불확도의 보완이 필요하다. 마지막으로, SO2 와 VOC의 경우 배출량 50% 변화 시 전국 PM2.5 농도를 0.1 ㎍/㎥ 가량 감소시켰다. 이러한 PM2.5 농도 감소는 계절적 요인과 국내 VOC 배출량 불확도 등의 영향에 의한 것으로 판단되다. 중국 및 국내에 대한 개별물질 저감율에 따른 비선형성을 ‘비선형 지수 (NI)’와 ‘기울기 (NIS)’를 이용하여 검토하였다. 비선형성 검토 결과 중국 및 국내 배출에 의한 PPM2.5, VOC, SO2는 비선형성이 적은 물질로 나타났다. 중국 NOX 배출량에 대한 비선형성은 NI 0.009, NIS 0.8으로 보였다. 국내의 경우 NOX 배출량에 따른 NI 0.014, NIS 0., NH3 배출량은 NI 0.012, NIS 0.7의 비선형성을 보였다. 이러한 비선형성의 검토를 통해 국내외 배출량 저감 시 국내 PM2.5 목표 농도 달성에 필요한 배출물질별 저감 비율을 유추하는데 활용이 가능할 것으로 사료된다. 국내에 대하여 두가지 배출물질에 대한 동시 저감과 풍상 풍사지역에서 배출량 동시 저감 시 발생하는 교차 민감도를 검토하였다. 연구한 배출량 변화 범위에서는‘NOX & SO2’ 배출량 동시 저감 시 0.0 ㎍/㎥ 이하의 교차 민감도를 보였으며, ‘NOX & NH3’, ‘SO2 & NH3’ 배출량 저감 시 0.3, 0.2 ㎍/㎥ 교차 민감도가 나타났다. 이러한 교차 민감도의 발생은 PM2.5 주요 구성 성분인 황산염 ((NH4)2SO4)과 질산염 (NH4NO3) 생성으로 인하여 발생한 것으로 사료된다. 배출량 동시 저감으로 인해 발생한 교차 민감도는 단일 물질 민감도만을 고려하여 예측한 국내 PM2.5 농도 감소 정도를 상쇄시키는 역할을 한다. 또한, 국내의 경우 풍상지역에 위치한 중국의 배출량 변화에 따른 교차 민감도의 영향을 함께 고려해야한다. 중국과 국내 NOX 배출량 저감 시 PM2.5 농도는 2.0 ㎍/㎥, 1.0 ㎍/㎥ 감소하며, 두 지역의 NOX 배출량 동시 저감 시 7% (2.8 ㎍/㎥)의 교차 민감도를 보였다. 따라서, 최근 변화되고 있는 중국의 배출 현황을 고려하여 국내 PM2.5 저감정책 수립이 필요할 것으로 사료된다. 마지막으로, 민감도 및 비선형성을 이용하여 대기질 정책 수립 시 반복적인 대기질 모사를 수행하지 않고 배출량 변화에 따른 PM2.5 농도를 예측을 위한 방법론을 제시하였다. 중국과 국내 NOX 배출량 50% 저감 시 PM2.5 예측 농도는 SMPS (Screening Method with the Piecewise-linear Sensitivity) 0.0, 0.0%를 보였다. SMPS를 이용한 예측 결과가 CMAQ결과와 유사하게 나타남을 확인하였다. 지역별 PM2.5 농도 예측 결과 차이가 크게 나타나는 부산에서 나타났으며, CMAQ 22.9 ㎍/㎥, SMPS 22.7 ㎍/㎥를 1.3% (0.3 ㎍/㎥)의 예측 오차를 보였다. 이 연구에서는 중국과 국내 배출량 변화에 따른 국내 PM2.5 민감도 및 비선형 분석을 수행하였으며, 이 결과를 기반으로 배출량 변화에 따른 PM2.5 농도를 예측할 수 있는 방법론을 마련하였다. 배출-농도의 민감도 및 비선형성 검토를 통해 국내외 배출량 저감에 따른 국내 PM2.5 농도 변화를 정략적으로 살펴봄으로써 국내 PM2.5 감소에 주요한 배출물질 및 배출저감 비율에 대한 제시가 가능하며, 개별 물질 저감율에 따른 비선형성 검토를 통해 국내 PM2.5 농도 달성에 필요한 배출물질별 저감 비율을 유추하는데 활용이 가능할 것으로 사료된다.
학위논문(박사)--아주대학교 일반대학원 :환경공학과,2022. 8
Keywords: Emission; Non-linear Response; PM2.5; Sensitivity; South Korea