KR101156103B1 - 에어로졸 산란계수와 흡수계수를 이용한 황사의 판독 방법. - Google Patents

에어로졸 산란계수와 흡수계수를 이용한 황사의 판독 방법. Download PDF

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Abstract

본 발명은 에어로졸의 산란계수와 흡수계수를 이용한 황사판독 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 네펠로미터와 에쎌로미터를 통해 관측된 에어로졸 광학 특성을 이용하여 황사의 광학특성에 대한 정보를 얻을 수 있으며, 에어로졸의 질량만으로 판단하는 PM10 질량농도 판독과 상보적으로 황사 발생 여부를 판독할 수 있도록 하여 황사 판독에 대한 정확성을 높인 에어로졸의 산란계수와 흡수계수를 이용한 황사판독 방법에 관한 것이다.
이를 위해, 네펠로미터(Nephelometer)를 통해 대기 중에 부유하는 에어로졸 입자를 기기 내부로 흡입하여 에어로졸이 태양 빛을 산란시키는 정도를 측정하는 에어로졸 산란계수 측정단계; 에쎌로미터(Aethalometer)를 통해 대기 중에 부유하는 에어로졸 입자를 기기 내부로 흡입하여 에어로졸이 태양 빛을 흡수하는 정도를 측정하는 에어로졸 흡수계수 측정단계;상기 에어로졸 산란계수 및 에어로졸 흡수계수의 크기 및 파장별 크기 차이를 통해 옹스트롬 지수(Angstrom Exponent) 및 에어로졸 단산란 알베도(Single Scattering Albedo)를 산출하는 산출단계;기존의 PM10 질량농도와 단산란 알베도 및 옹스트롬 지수를 통해 황사발생 여부와 황사의 특성 및 강도를 판독하는 판독단계:를 포함하여 구성된 에어로졸 산란계수와 흡수계수를 이용한 황사의 판독 방법을 제공한다.

Description

에어로졸 산란계수와 흡수계수를 이용한 황사의 판독 방법.{Yellow Sand Reading Method using Aerosol Scattering And Absorption Coefficient}
본 발명은 에어로졸 산란계수와 흡수계수를 이용한 황사의 판독 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 네펠로미터와 에쎌로미터를 통해 관측된 에어로졸 광학 특성을 이용하여 PM10 질량농도와 상보적으로 황사 발생 여부를 판독가능하게 하는 에어로졸 산란계수와 흡수계수를 이용한 황사의 판독 방법 황사 판독방법에 관한 것이다.
황사는 바람에 의해 토양에서 대기 중으로 배출되는 대표적인 자연 발생적인 에어로졸로서 주로 중국의 사막지역 및 몽고 내륙지역 등에서 발생한다고 알려져 있다.
이러한 황사는 일반적으로 저기압의 후면에서 발생하여 이동하게 되는데, 중국 및 내몽고의 건조지역을 지나는 저기압 후면의 강한 상승기류에 의해서 황사 먼지들이 대기 중으로 비산되며, 대기 중으로 비산된 황사 먼지는 40~50m/s의 제트기류를 타고 한반도, 일본, 알루샨 열도와 하와이까지 이동한다고 알려져 있다.
최근에는 중국 북동부 지역에서 사막화가 급속도로 진행되고 있어 황사 발원지는 점점 넓어지고 있다.
이러한 사막화의 주된 원인은 가뭄과 같은 자연 현상과 무분별한 경작지 개간과 과도한 목축을 꼽을 수 있는데, 사막화 지역이 우리나라에 더욱 가까워지고 있을 뿐만 아니라, 급속히 넓어지고 있기 때문에 앞으로 황사는 더 많은 빈도로 더 강한 영향을 미칠 것으로 예상되고 있다.
지난 2002년도 3월 21일부터 23일에 걸쳐 유래 없이 심한 황사현상이 오랜 시간 지속됨에 따라 유치원과 초등학교가 휴교하는 등 사회, 경제적 피해를 초래하였으며, 2007년 4월에도 강한 황사로 인해 휴교 사태가 발생하였다.
황사는 호흡기 질환과 같은 질병을 유발함은 물론 시정 악화의 원인이 될 수 있으며 반도체, 정밀기계 등의 정밀산업에도 악영향을 미치고 노출되어 있는 물체를 오염시켜 우리 산업에 미치는 영향이 큰 것으로 보고되고 있다.
또한 항공기 등 교통 산업에 황사가 미치는 영향도 매우 크다.
이처럼 여러 가지 피해를 유발하는 황사는 더 이상 단순한 자연현상이 아닌 기상재해로 인식하기에 이르렀으며, 이 같은 황사의 피해를 줄이기 위해서는 황사를 구성하는 에어로졸의 특성에 따른 황사의 판독이 매우 중요하다.
한반도에 도달하는 황사의 주 발원지는 중국의 사막지역 및 몽고 내륙지역으로 알려져 있으며, 이들 지역에서 발생한 황사는 한반도로 수송되는 과정에서 중국 동해안의 공업지역을 지나며, 황산염, 질산염 등의 각종 오염물질과 섞여 각종 에어로졸의 혼합물의 형태로 한반도에 유입되는 경우가 많다.
현재, 기상청에서는 국내 23개 관측소에서 미세먼지농도(PM10)를 측정하고 있다.
참고로, PM10은 대기 중에 부유하고 있는 미세먼지의 단위 부피당 무게를 나타내는 값으로 1m3의 대기에 존재하는 공기역학적 직경이 10 ㎛ 이하인 미세먼지의 양을 나타낸다.
이 관측값을 바탕으로 1시간 평균 PM10 농도가 400㎍/㎥이상으로 2시간 이상 지속될 것으로 예상될 때 황사 주의보를, PM10 농도 800㎍/㎥이상이 2시간 이상 지속될 것으로 예상될 때 황사 경보를 발표하는 것이다.
그러나 이러한 황사 판독 방법은 에어로졸의 질량만을 이용하여 판단하는 방법이어서 현재 대기 중에 부유하고 있는 에어로졸이 황사인지, 황사가 아닌 다른 에어로졸인지 혹은 황사와 다른 에어로졸의 혼합물인지 여부를 판단하는 것이 불가능하다.
따라서, 황사의 광학특성을 이용하여 황사와 기타 에어로졸의 분류를 통한 황사 판독의 정확성이 요구되고 있는 실정이다.
대한민국 특허출원 10-2009-16450
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 대기 중 황사의 광학특성을 기존의 PM10 질량농도와 상보(相補)적으로 측정하여 에어로졸 입자의 특성을 파악함으로써 황사 판독에 대한 정확성을 높인 에어로졸 산란계수와 흡수계수를 이용한 황사의 판독 방법을 제공하고자 한 것이다.
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위하여, 네펠로미터(Nephelometer)를 통해 대기 중에 부유하는 에어로졸 입자를 기기 내부로 흡입하여 에어로졸이 태양 빛을 산란시키는 정도를 측정하는 에어로졸 산란계수 측정단계; 에쎌로미터(Aethalometer)를 통해 대기 중에 부유하는 에어로졸 입자를 기기 내부로 흡입하여 에어로졸이 태양 빛을 흡수하는 정도를 측정하는 에어로졸 흡수계수 측정단계;상기 에어로졸 산란계수 및 에어로졸 흡수계수의 크기 및 파장별 크기 차이를 통해 옹스트롬 지수(Angstrom Exponent) 및 에어로졸 단산란 알베도(Single Scattering Albedo)를 산출하는 산출단계;기존의 PM10 질량농도와 단산란 알베도 및 옹스트롬 지수를 통해 황사발생 여부와 황사의 특성 및 강도를 판독하는 판독단계:를 포함하여 구성된 에어로졸 산란계수와 흡수계수를 이용한 황사의 판독 방법을 제공한다.
이때, 상기 판독단계는, PM10 질량농도가 200 ㎍ / ㎥ 이상일 때, PM10 질량농도와 동일한 시간에 관측된 에어로졸 산란계수와 흡수계수의 옹스트롬 지수가 0.9 미만, 단산란 알베도가 0.85 초과일 때 황사로 판단하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 에어로졸 흡수계수 측정단계는, 에쎌로미터(Aethalometer)를 통해 에어로졸의 블랙카본 질량농도를 측정한 후, 상기 블랙카본 질량농도를 에어로졸 흡수계수로 변환하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 산출단계는, 네펠로미터의 450nm, 550nm, 700nm의 3개 파장에서 산출된 에어로졸 산란계수 중, 450nm, 700nm 2개 파장의 값을 이용하여 옹스트롬 지수를 구하는 것이 바람직하다.
이때, 네펠로미터의 3개 파장에서 산출된 에어로졸 산란계수를 거듭제곱근 법으로 520nm 파장에서의 에어로졸 산란계수 값을 구한 뒤, 에쎌로미터의 520nm 에어로졸 흡수계수와 비교하여 단산란 알베도를 산출하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 에어로졸 산란계수와 흡수계수를 이용한 황사의 판독 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
기존의 PM10 질량농도와,
Figure 112011104449592-pat00001
식을 통해 산출된 에어로졸 산란계수 및
Figure 112011104449592-pat00002
식을 통해 산출된 에어로졸 흡수계수를 이용하여 옹스트롬 지수(
Figure 112011104449592-pat00003
) 및 단산란 알베도(
Figure 112011104449592-pat00004
)를 구하고, 상기 옹스트롬 지수 및 단산란 알베도를 비교하여 에어로졸 입자의 크기와 에어로졸 입자의 산란 및 흡수의 비를 결정함으로써 에어로졸 광학특성을 통해 황사 판독에 대한 정확성을 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 네펠로미터의 동작원리를 도시한 개략도
도 2는 에쎌로미터의 동작원리를 도시한 개략도
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 에어로졸 산란계수와 에어로졸 흡수계수를 이용한 황사 판독 방법을 나타낸 순서도
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 에어로졸 산란계수와 에어로졸 흡수계수를 이용한 황사 판독 방법의 황사 판독 기준을 나타낸 그래프
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 에어로졸 산란계수와 에어로졸 흡수계수를 이용한 황사 판독 방법을 이용하여 황사 판독을 실시한 실시예를 나타낸 그래프.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 아니하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
이하, 첨부된 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 에어로졸 산란계수와 에어로졸 흡수계수를 이용한 황사 판독 방법(이하, '황사 판독 방법'이라 함)에 대하여 설명하도록 한다.
본 발명에 따른 황사 판독 방법은, 기존의 기상청에 의해 측정된 PM10 질량농도만을 가지고 황사를 판독하여 황사 판독에 대한 정확성이 떨어졌던 것과는 달리, 상기 PM10 질량 농도와 상보적으로 에어로졸의 광학 특성 즉, 에어로졸의 산란 계수 및 흡수 계수를 이용한 옹스트롬 지수 및 단산란 알베도를 이용하여 황사 판독에 대한 정확성을 높인 기술적 특징이 있다.
이를 위해, 네펠로미터(Nephelometer)와 에쎌로미터(Aethalometer)를 이용하여 지상의 하층에 있는 에어로졸을 상기 각각의 기기로 흡입하여 에어로졸의 광학 특성을 측정하게 된다.
먼저, 에어로졸의 광학 특성을 측정하기 위한 네펠로미터 및 에쎌로미터에 대하여 살펴보도록 한다.
도 1은 펠로미터(Nephelomter)의 관측원리를 개략적으로 도시한 도면으로, 네펠로미터는 에어로졸이 빛을 산란하는 정도를 나타내는 에어로졸 산란계수를 관측하는 관측기기이다.
인렛(Inlet)으로 지상의 하층에 있는 대기 샘플을 흡입하여 네펠로미터 안으로 빨아들인 후, 램프에서 빛을 비춘다.
이때, 에어로졸에 의해 산란된 빛이 센서 부에서 감지되며, 이 빛의 강도를 에어로졸 산란계수로 환산하고, 측정을 마친 대기 샘플은 아웃렛(Outlet)을 통해 배출된다.
그리고, 도 2는 에쎌로미터(Aethalometer)의 관측 원리를 개략적으로 도식화한 그림으로 필터 위에 포집된 에어로졸 위에 빛을 주사했을 때, 에어로졸이 있는 부위와 그렇지 않은 부위를 통과한 빛의 감쇄도에는 차이가 생긴다.
이때, 이 빛의 감쇄도 차이를 통해 에어로졸 흡수계수를 산출한다.
이후, 에어로졸 산란 및 흡수계수를 통해 옹스트롬 지수와 단산란 알베도를 산출하게 되며, 이 에어로졸 광학특성을 이용하여 황사의 판독을 수행한다.
이하, 네펠로미터 및 에쎌로미터를 통해 흡입된 에어로졸의 광학 특성을 측정하기 위한 에어로졸 산란계수, 에어로졸 흡수계수, 옹스트롬지수, 단산란 알베도에 대하여 상세하게 설명하도록 한다.
(1)에어로졸 산란계수(Aerosol Scattering Coefficient)
에어로졸 산란계수는 대기 중의 에어로졸이 빛을 산란하는 정도를 나타내며, 에어로졸 산란계수 값이 큰 것은 대기 중에 빛을 산란하는 에어로졸의 양이 많음을 의미한다.
이때, 직진하고 있는 빛이 흡수 또는 산란성 매개체를 통과할 때 빛의 감쇄 정도는 아래의 (수학식 1)Beer-Lambert Law에 의해 설명될 수 있다.
<Beer-Lambert Law>
Figure 112011104449592-pat00005
빛이 매개체를 통과하면서 감쇄되는 정도를 소산 계수 (extinction coeffecient)라고 하는데, 이는 크게 기체 분자에 의한 흡수/산란과 에어로졸에 의한 흡수/산란 이렇게 4가지로 구성되어 있다.
특별히 지표면에 도달하는 태양단파에 있어서 에어로졸에 의한 산란은 지표면과 대기층 전체에 있어서 중요한 감쇄의 원인으로 기후복사강제력을 산정하는데 있어서 매우 중요하다.
이러한 에어로졸의 산란 계수는 아래의 (수학식 2)로 표현되는 산란함수의 산란각에 대한 적분을 통해 구할 수 있다.
Figure 112011104449592-pat00006
적분형 네펠로미터는 위의 원리를 이용하여 램버시안 광원과 그에 수직으로 위치하는 광학 측정 장치를 통해 기체입자나 에어로졸에 의해 산란되는 빛을 기하학적으로 적분하여 산란계수를 측정할 수 있는 관측 기기이다.
(2)에어로졸 흡수계수(Aerosol Absorption Coefficient)
에어로졸 흡수계수는 대기 중의 에어로졸이 빛을 흡수하는 정도를 나타내며, 에어로졸 흡수계수의 값이 클수록 대기 중에 빛을 흡수하는 에어로졸의 양이 많음을 의미한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 필터(Quartz filter)의 에어로졸이 포집된 부분과 에어로졸이 없는 부분에 각각 같은 빛을 비춰주면 필터의 아래쪽에서 측정한 빛의 감쇄도에는 차이가 생기게 된다.
이때, 빛의 감쇄도 차이는 어떤 물질의 광흡수도가 α, 빛이 통과하는 물질의 직선길이가
Figure 112011104449592-pat00007
, I0와 I는 각각 물질을 통과하기 전과 후의 빛의 세기로 보면, 빛이 매질을 통과할 때 지수적으로 감쇄됨을 보인 Beer-Lambert Law에 의해 물질에 의한 광흡수 정도 T는 아래 (수학식 3)과 같이 표현된다.
Figure 112011104449592-pat00008
이는 에쎌로미터의 경우에 블랙카본 질량농도를 계산해 내는 데에 적용된다.
I0와 I는 각각 LED에서 방사한 빛의 세기와 석영필터의 블랙카본이 포집된 부분을 통과한 빛의 세기로 보면, 빛의 감쇄 정도를 나타내는 감쇄계수 ATN과의 관계는 아래의 (수학식 4)와 같다.
Figure 112011104449592-pat00009
에쎌로미터는 에어로졸이 포집된 필터를 통과하는 빛의 감쇄 정도 ATN을 측정한다. (Hansen et al ., 1984)
필터에 포집된 에어로졸이 Δt의 시간 간격만큼 빛에 노출된다면, 빛의 감쇄계수
Figure 112011104449592-pat00010
은 아래의 식과 같게 된다.
Figure 112011104449592-pat00011
여기서 A는 에어로졸이 포집된 영역의 면적이고, Q는 부피로 측정한 sample air의 유량이다.
이때, 아래의 (수학식 6)에서 결정된 상수
Figure 112011104449592-pat00012
에 따라 BC 질량 농도
Figure 112011104449592-pat00013
를 (수학식 7)와 같이 산출한다.
Figure 112011104449592-pat00014
Figure 112011104449592-pat00015
한편, 에쎌로미터는 내부의 펌프를 이용해 에어로졸과 혼합된 대기 샘플을 인렛을 통해서 빨아들인다.
지상 하층의 대기샘플은 에쎌로미터 내부의 필터(quartz fiber filter)를 지나가면서 상기 필터 위에 에어로졸 샘플로 쌓이게 되고, 이 에어로졸 샘플에 연속적으로 일정 파장의 빛을 발사하여, 에어로졸 샘플을 통과할 때 감쇄되는 빛의 세기를 이용하여 에어로졸의 양을 연속적으로 감시할 수 있게 된다.
에쎌로미터의 블랙카본 질량농도 관측자료를 에어로졸 흡수계수로 변환하는 방법(Weingartner et al., 2003; Arnott et al., 2005; Schmid et al., 2006; Virkkula et al., 2007)이 많은 연구에서 제시되었지만, 본 발명에서는 Arnott et al. (2005)의 연구에서 제시한 방법을 자료 보정 및 에어로졸 흡수계수로의 변환에 사용하였다.
아래의 (수학식 8)은 Arnott et al. (2005)의 연구에서 제시한 에어로졸 흡수계수 환산식이다.
Figure 112011104449592-pat00016
Figure 112011104449592-pat00017
는 필터 이동 후 n 번째로 관측된 블랙카본 질량농도 관측값이며,
Figure 112011104449592-pat00018
은 n 번째로 관측된
Figure 112011104449592-pat00019
로부터 conversion 된 absorption coefficient이다.
Figure 112011104449592-pat00020
는
Figure 112011104449592-pat00021
과 동시에 n 번째로 관측된 Nephelometer의 scattering coefficient 값이고,
Figure 112011104449592-pat00022
은 absorption cross section으로 제조사에서
Figure 112011104449592-pat00023
라는 값으로 제공하고 있다.
Figure 112011104449592-pat00024
은 다중 산란이 광흡수에서 차지하는 비율을 알기 위해 경험적으로 구한 값이며,
Figure 112011104449592-pat00025
이다.
Figure 112011104449592-pat00026
는 파장에 따른 필터 자체의 소산에 의한 영향인데 이 역시 저자의 경험값을 사용하였다. 아래의 (표 1)에는 이 내용들을 정리하였다.
[표 1]
본 연구에 사용된 Arnott et al. (2005) 방법의 경험적 값들
Figure 112011104449592-pat00027

(3) 옹스트롬 지수 (Angstrom Exponent, AE)
에어로졸 산란계수는 빛의 파장에 따라 값의 차이를 보이는데, 이 차이는 에어로졸 입자의 크기와 관계가 있다.
이 파장에 따른 에어로졸 산란계수 값의 차이를 정리한 것이 바로 옹스트롬 지수(Angstrom Exponent, AE)이며, 옹스트롬 지수 값이 큰 것은 대기 중에 부유하는 에어로졸 입자의 평균 직경이 작음을 의미하고, 반대로 옹스트롬 지수 값이 작은 것은 대기 중 에어로졸 입자의 평균 직경이 큰 것을 의미한다.
Figure 112011104449592-pat00028
를 각각 450 nm와 700 nm의 에어로졸 산란계수라고 할 때, 옹스트롬 지수(Angstrom Exponent, AE)는 아래의 (수학식 9)과 같다.
Figure 112011104449592-pat00029
Kim et al., (2006)의 연구에서 밝힌 바에 따르면, 2001년 4월 한반도 배경대기 지역인 제주도 고산의 황사 사례 옹스트롬 지수는 0.62±0.17의 값을 보였다.
(4) 단산란 알베도 (Snigle Scattering Albedo, SSA)
대기 중에 부유하는 에어로졸 중 빛을 산란하는 성질이 강한 질산염, 황산염, 등의 에어로졸과 빛을 흡수하는 성질이 강한 블랙카본 등의 에어로졸 사이의 비를 나타낸 것이 단산란 알베도(Single Scattering Albedo, SSA)이다.
단산란 알베도가 클수록 대기 중에 빛을 산란시키는 에어로졸이 많음을 의미하며, 단산란 알베도가 작을수록 대기 중에 빛을 흡수하는 에어로졸이 적음을 의미한다.
Figure 112011104449592-pat00030
와
Figure 112011104449592-pat00031
가 각각 에어로졸 산란계수와 에어로졸 흡수계수를 나타낼 때 이들의 비를 나타내는 단산란 알베도(Single Scattering Albedo, SSA)는 다음 (수학식 10)과 같다.
Figure 112011104449592-pat00032
Kim et al., (2006)의 연구에서 밝힌 바에 따르면, 2001년 4월 한반도 배경대기 지역인 제주도 고산의 황사 사례 단산란 알베도는 0.91±0.03의 값을 보였다.
지금까지, 네펠로미터 및 에쎌로미터를 이용하여 에어로졸 소산계수, 에어로졸 흡수계수, 옹스트롬 지수, 단산란 알베도를 산출하는 것에 대하여 설명하였다.
이하, 첨부된 도 3 내지 도 5를 참조하여 상기한 계수 및 지수를 이용하여 황사를 판독하는 일련의 과정에 대하여 설명하도록 한다.
먼저, 네펠로미터를 이용해 지상의 하층에 있는 대기를 기기의 내부로 흡입시킨다.
이후, 기기 내부로 흡입된 대기의 에어로졸 산란계수 측정을 위한 로우(raw) 데이터를 읽어 에어로졸 산란계수를 측정하는 단계를 수행한다.(S10)
다음으로, 네펠로미터를 통해 측정된 에어로졸 산란계수에 대하여, 에어로졸 산란계수와는 관계없는 무의미한 데이터, 관측 기기의 에러에 의한 데이터 등을 걸러내는 단계를 수행한다.(S20)
다음으로, 에쎌로미터를 이용해 지상의 하층에 있는 대기를 기기의 내부로 흡입시킨다.
이후, 기기 내부로 흡입된 대기의 에어로졸 흡입계수 측정을 위한 로우(raw) 데이터를 읽는 단계를 수행한다.(S30)
이때, 에쎌로미터는 에어로졸의 블랙카본 질량농도를 측정하는 기기로써, 이 단계에서는 상기 에어로졸의 블랙카본 질량농도에 대한 값이 측정된다.
다음으로, 에쎌로미터를 통해 측정된 로우 데이터에 대하여, 에어로졸 흡수계수와는 관계없는 무의미한 데이터, 관측 기기의 에러에 의한 데이터 등을 걸러내는 단계를 수행한다.(S40)
다음으로, 에쎌로미터를 통해 측정된 에어로졸의 블랙카본 질량농도 값을 에어로졸 흡수계수로 변환하는 단계를 수행한다.(S50)
상기 에쎌로미터의 원래 기능은, 앞서 말한 바와 같이 블랙카본이라는 에어로졸을 측정하는 기기인데, 단산란 알베도를 산출하기 위해서는 에어로졸 흡수계수가 필요한바, 이를 위해 상기 에어로졸의 블랙카본 질량농도를 에어로졸 흡수계수로 변환해야하는 것이다.
이때, 변환방법은 앞서 설명한 (수학식 8)을 통해 변환하게 된다.
Figure 112011104449592-pat00033

다음으로, 산출된 에어로졸 소산계수 및 에어로졸 흡수계수를 이용하여 옹스트롬 지수를 산출하고, 단산란 알베도를 산출한다.(S60)
상기 옹스트롬 지수는 에어로졸 산란계수 값의 차이를 정리한 것 즉, 에어로졸 산란계수가 빛의 파장에 따라 얼만큼의 차이를 보이는지를 값으로 나타낸 것이다.
이때, 옹스트롬 지수는 네펠로미터의 450nm, 550nm, 700nm의 3개 파장에서 산출된 에어로졸 산란계수 중, 450nm, 700nm 2개 파장의 값을 이용하게 된다.
이는, 빛의 파장에 따른 산란계수의 차이를 보고자함이므로, 맨 바깥쪽의 파장 즉, 450nm, 700nm의 파장 값을 이용하는 것이다.
이때, 옹스트롬 지수는 앞서 설명한 (수학식 9)를 통해 산출하게 된다.
Figure 112011104449592-pat00034

이때, 옹스트롬 지수값이 클수록 에어로졸 입자가 작은 것을 의미한다.
그리고, 단산란 알베도는 에어로졸 산란계수와 에어로졸 흡수계수의 비를 나타낸 것으로서, 대기 중에 부유하는 에어로졸 중 빛을 산란하는 성질이 강한 에어로졸과 빛을 흡수하는 성질이 강한 에어로졸 사이의 비를 나타낸 것이다.
이때, 단산란 알베도를 산출하기 위해서는, 상기한 네펠로미터의 3개 파장에서 산출된 에어로졸 산란계수를 거듭제곱근 법으로 520nm에서의 에어로졸 산란계수를 구한 뒤, 에쎌로미터의 520nm 에어로졸 흡수계수와 비교하여 상기 단산란 알베도를 산출하게 된다.
이때, 단산란 알베도가 작을수록 대기 중에 빛을 흡수하는 에어로졸이 적음을 의미한다.
한편, 에쎌로미터의 관측 파장 중, 520nm에서 에어로졸 산란계수를 산출한 이유는 다음과 같다.
에쎌로미터는 370nm, 470nm, 520nm, 590nm, 660nm, 880nm, 950nm의 7파장에서 관측값을 산출하는데, 에어로졸 산란계수와 에어로졸 흡수계수는 모두 빛의 파장에 매우 민감하여 파장에 따라 산출 값이 크게 변화하게 되므로 에어로졸 산란계수와 에어로졸 흡수계수를 이용한 계산에는 파장의 일치가 매우 중요하다.
500nm ~ 560nm 파장은 에어로졸에 의한 빛의 산란이 매우 효율적이어서 에어로졸의 관측에 기준 파장으로 많이 이용되는 파장이므로, 네펠로미터의 550nm와 에쎌로미터의 520nm 중 에쎌로미터의 520nm를 기준 파장으로 설정하고 네펠로미터의 550nm에서 산출된 에어로졸 산란계수를 거듭제곱근 법으로 내삽(內揷)하여 520nm의 에어로졸 산란계수를 산출한 것이다.
이후, 520nm 파장의 에어로졸 산란계수와 520nm 파장의 에어로졸 흡수계수를 앞서 설명한 (수학식 10)을 통해 산출하게 된다.
Figure 112011104449592-pat00035

다음으로, 기상청의 관측소로부터 제공된 PM10 질량농도에 대한 데이터를 읽어들이는 단계를 수행한다.(S70)
다음으로, 상기 PM10 질량농도와, 옹스트롬 지수와, 단산란 알베도를 통해 황사를 판독하는 단계를 수행한다.
이때, PM10 질량농도가 200㎍/㎥ 이하이면 황사가 아닌 에어로졸로 판독(S80)을 하며, PM10 질량농도가 200㎍/㎥ 초과이면 옹스트롬 지수(AE)가 0.9 미만인지를 판독한다.(S90)
이때, 옹스트롬 지수가 0.9 이상이면 도 4에 도시된 바와 같이 황사가 아닌 에어로졸로 판독을 하며, 옹스트롬 지수가 0.9 미만이면 단산란 알베도(SSA)가 0.85 초과인지를 판독한다.(S100)
이때, 단산란 알베도가 0.85 이하이면 도 4에 도시된 바와 같이 황사가 아닌 에어로졸로 판독을 하며, 단산란 알베도가 0.85 초과이면 황사로 판독을 한다.
이로써, 에어로졸 산란계수 및 에어로졸 흡수계수를 이용한 황사 판독이 완료된다.
상기한 본 발명에 따른 에어로졸의 산란계수와 에어로졸의 흡수계수를 이용한 황사판독 방법을 이용하여 황사를 판독한 구체적인 실시예에 대하여 첨부된 도 5를 참조하여 살펴보도록 한다.
도 5는 2010년 3월 20일 제주 고산 지역에 발생한 황사사례를 나타낸 것이다
PM10 질량농도가 200 ㎍ / ㎥이상인 2010년 3월 20일 16시부터 21일 03시까지 입자의 크기를 나타내는 옹스트롬 지수가 최소 -0.2까지 급격히 감소하고, 입자의 광산란 대 광흡수 비율을 나타내는 단산란 알베도가 0.93~0.96의 구간에서 유지 되었다.
일반적으로 황산염, 질산염 등의 오염물질 에어로졸이 직경 1 ㎛ 미만의 입자 크기를 가지는데 비해, 황사 입자는 2~3 ㎛의 크기를 가지는 것으로 알려져 있다.
상기한 도 3 알고리즘 및 도 4의 그래프를 적용할 때 이 기간에 황사 사례가 발생하여 에어로졸 입자의 크기가 매우 커지고 에어로졸의 광산란이 증가하였음을 확인하고 황사를 판독할 수 있다
지금까지 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 에어로졸 산란계수와 에어로졸 흡수계수를 이용한 황사 판독 방법은 에어로졸의 광학 특성을 이용하여 황사를 판독할 수 있는 것을 기술적 특징으로 한다.
이에 따라, PM10 질량농도와 상보적으로 황사를 판독할 수 있음으로써, 황사 판독에 대한 정확성을 높일 수 있게 된다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대하여 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정은 첨부된 특허 청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (5)

  1. 네펠로미터(Nephelometer)를 통해 대기 중에 부유하는 에어로졸 입자를 기기 내부로 흡입하여 에어로졸이 태양 빛을 산란시키는 정도를 측정하는 에어로졸 산란계수 측정단계;
    에쎌로미터(Aethalometer)를 통해 대기 중에 부유하는 에어로졸 입자를 기기 내부로 흡입하여 에어로졸이 태양 빛을 흡수하는 정도를 측정하는 에어로졸 흡수계수 측정단계;
    상기 에어로졸 산란계수 및 에어로졸 흡수계수의 크기 및 파장별 크기 차이를 통해 옹스트롬 지수(Angstrom Exponent) 및 에어로졸 단산란 알베도(Single Scattering Albedo)를 산출하는 산출단계;
    기존의 PM10 질량농도와 단산란 알베도 및 옹스트롬 지수를 통해 황사발생 여부와 황사의 특성 및 강도를 판독하는 판독단계:를 포함하여 구성된 에어로졸 산란계수와 흡수계수를 이용한 황사의 판독 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 판독단계는,
    PM10 질량농도가 200 ㎍ / ㎥ 이상일 때, PM10 질량농도와 동일한 시간에 관측된 에어로졸 산란계수와 흡수계수의 옹스트롬 지수가 0.9 미만, 단산란 알베도가 0.85 초과일 때 황사로 판단하는 것을 특징으로 하는 에어로졸 산란계수와 흡수계수를 이용한 황사의 판독 방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 에어로졸 흡수계수 측정단계는, 에쎌로미터(Aethalometer)를 통해 에어로졸의 블랙카본 질량농도를 측정한 후, 상기 블랙카본 질량농도를 에어로졸 흡수계수로 변환하는 것을 특징으로 하는 에어로졸 산란계수와 흡수계수를 이용한 황사의 판독 방법.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 산출단계는,
    네펠로미터의 450nm, 550nm, 700nm의 3개 파장에서 산출된 에어로졸 산란계수 중, 450nm, 700nm 2개 파장의 값을 이용하여 옹스트롬 지수를 구하는 것을 특징으로 하는 에어로졸 산란계수와 흡수계수를 이용한 황사의 판독 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    네펠로미터의 3개 파장에서 산출된 에어로졸 산란계수를 거듭제곱근 법으로 520nm 파장에서의 에어로졸 산란계수 값을 구한 뒤, 에쎌로미터의 520nm 에어로졸 흡수계수와 비교하여 단산란 알베도를 산출하는 것을 특징으로 하는 에어로졸 산란계수와 흡수계수를 이용한 황사의 판독 방법.
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