KR102324392B1 - 지역별 미세먼지 농도 예측방법 및 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 지역별 미세먼지 농도 예측방법 및 시스템에 관한 것으로, 특정 지자체와 같은 지역에서 배출되는 각 오염원의 대기오염물질이 해당 지역 및 주위의 다른 지역의 미세먼지(PM2.5) 발생에 미치는 기여도 및 배출량당 미세먼지(PM2.5) 농도 전환율을 산정하여 지역별 각 오염원의 대기오염물질 배출량이 각 지역의 미세먼지(PM2.5) 농도에 영향을 미치는 정도를 예측할 수 있도록 구성되어 있다.
Description
본 발명은 지역별 미세먼지 농도 예측방법 및 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 특정 지자체와 같은 지역에서 배출되는 각 오염원의 대기오염물질이 해당 지역 및 주위의 다른 지역의 미세먼지(PM2.5) 발생에 미치는 기여도 및 배출량 당 미세먼지(PM2.5) 농도 전환율을 산정하여 지역별 각 오염원의 대기오염물질 배출량이 각 지역의 미세먼지(PM2.5) 농도에 영향을 미치는 정도를 예측할 수 있도록 구성된 지역별 미세먼지 농도 예측방법 및 시스템에 관한 것이다.
미세먼지(PM2.5)는 굴뚝 등의 오염원으로부터 고체 상태의 미세먼지(PM2.5)가 발생하는 경우도 있고, 대표적인 대기오염물질인 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx), 암모니아(NH3) 또는 휘발성유기화합물(VOC) 등이 대기 중으로 배출되면서 공기 중의 다른 물질과 화학반응을 일으켜 미세먼지(PM2.5)가 되는 경우가 있다.
건강에 치명적인 영향을 미치는 미세먼지(PM2.5) 관리와 관련하여 최근 중앙정부뿐 아니라, 각 지자체에서도 여러 방면으로 저감대책이 마련되고 있으며, 대기오염물질의 배출량을 관리하기도 한다.
하지만, 미세먼지(PM2.5)는 다양한 대기오염물질이 대기중으로 배출되면서 화학반응과 함께 확산되는 누적적·광역적인 특성을 갖기 때문에 단순히 대기오염물질 배출량을 감축하는 것으로 해결할 수 없는 문제점이 있다.
예를 들면, NOx 배출량이 적은 도 단위의 지자체에서는 NOx의 배출량을 저감시키면, 미세먼지(PM2.5)의 농도가 저감되는 것으로 나타난다.
하지만, 서울특별시 및 많은 광역시와 같은 대도시에서는 NOx 배출량을 저감시키면 오히려 미세먼지(PM2.5)의 농도가 증가하는 현상이 나타나기도 한다. 이는 질소산화물 불이익(NOx disbenefit)이라고도 하는데, 대도시에 이미 NOx의 농도가 과하게 높은 상태에 있어, NOx의 농도를 낮춤으로써 오히려, 오존량이 늘어나고 광화학 반응이 촉진되어 미세먼지(PM2.5)의 농도가 증가하기 때문이다.
이처럼, 단순히 해당 지자체 내 배출원별 배출량 삭감만으로는 지역의 실질적 대기질 개선 효과를 기대하기 어렵고, 실효성 있는 대기 관리를 위해서는 지역별, 배출원별 각각의 배출량이 미세먼지(PM2.5) 농도 생성에 미치는 과학적이고 정량적인 기여도 분석 자료를 활용하여, 국제 협력과 함께 지방자치단체와 같은 지역간의 협력을 통하여 해당 지역과 더불어 인접 지역의 대기오염물질도 함께 관리되는 것이 요구된다.
대기오염의 확산을 예측하기 위한 기술은 오래 전부터 개발되어 왔고, 한 예가 등록특허공보 제10-0370497호(이하 ‘종래기술 1’이라 함)에 나타나 있다.
종래기술 1에는 배출원(굴뚝)자료, 사용연료자료 및 굴뚝주변 건물자료의 사용자 자료를 입력하는 단계; 기상 및 지형의 자료를 미리 저장된 데이터 베이스로부터 도출하는 단계; 상기 사용자 자료 및 기상 및 지형 자료를 분석·처리하여 단기모델, 장기모델 및 스크린모델 중, 하나의 모델을 선택하여 대기확산 모델링을 수행하는 단계; 상기 모델링 계산 결과의 기여농도 및 등농도곡선을 도식화하여 표시하는 단계; 상기 모델링 계산 결과에 따른 보고서를 작성하여 표시하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 대기오염 배출시설을 관리하기 위한 대기오염확산 예측방법이 나타나 있다.
하지만, 종래기술 1에서는 특정 지자체와 같은 지역에서 다양한 오염원을 통하여 배출되는 각 대기오염물질이 해당 지역의 미세먼지(PM2.5)를 발생시키는데 어느 정도 기여하는지 알 수 없고, 또한, 주위의 지역의 미세먼지(PM2.5)를 발생시키는데 어느 정도 기여하는지도 알 수 없다.
또한, 종래기술 1을 이용하여 대기오염 확산을 예측하기 위해서는 복잡한 3차원의 대기확산 모델링을 수행해야 하고, 그 시간도 많이 소요되는 문제점이 있다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제는 상기 문제점을 해결하기 위하여, 각 지역별 오염원 및 대기오염물질의 배출량에 따라 해당 지역 및 주위의 지역에서 발생하는 미세먼지(PM2.5)의 농도 변화를 예측할 수 있는 지역별 미세먼지 농도 예측방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명에서는 자자체와 같은 각 지역에서 개발계획 등을 수립하기 전에 상당한 전문성과 시간이 필요한 복잡한 3차원 대기질 모델링 수행 없이 미세먼지(PM2.5)의 농도 변화를 예측할 수 있는 지역별 미세먼지 농도 예측방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 지역별 미세먼지 농도 예측시스템은, 기상 모델링을 수행하는 기상 모델링 모듈(100); 지역별 각 오염원 및 각 대기오염물질별 배출량 모델링을 수행하는 배출량 모델링 모듈(200); 및 상기 기상 모델링 결과 및 상기 배출량 모델링 결과를 입력에 포함하여, 미세먼지(PM2.5)의 현황을 모델링하는 대기질 모델링 모듈(300)을 포함하고 있다. 이 때, 상기 대기질 모델링 모듈(300)은, 지역별 각 오염원 및 각 대기오염물질별 배출량 변화에 대한 대기질 모델링을 다수회 수행하여, 이로부터 각 오염원 및 각 대기오염물질에 대한 미세먼지(PM2.5) 기여농도를 산출하고 데이터베이스화 하는 구성; 상기 미세먼지(PM2.5) 기여농도로부터 단위배출량당 미세먼지(PM2.5) 기여도를 나타내는 지역별 각 오염원 및 각 대기오염물질별 미세먼지(PM2.5) 전환율을 산출하고 데이터베이스화 하는 구성; 각 지역에서 관리하고자 하는 각 오염원 및 각 대기오염물질별 배출량을 선정하여 입력하는 구성; 및 상기 입력된 각 오염원 및 각 대기오염물질별 배출량을 데이터베이스화된 상기 미세먼지(PM2.5) 전환율과 곱하여, 변화된 오염원별·오염물질별 배출량의 각 지역별 미세먼지(PM2.5) 기여농도를 예측하는 구성;을 포함하고 있을 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예인 지역별 미세먼지 농도 예측방법은, 컴퓨팅 장치에 의하여 각 단계가 작동되는 지역별 미세먼지 농도 예측방법에 관한 것으로서, 기상 모델링 모듈(100)을 이용하여 기상 모델링을 수행하는 단계; 지역별 오염물질 배출량 모델링 모듈(200)을 이용하여 각 오염원 및 각 대기오염물질별 배출량 모델링을 수행하는 단계; 상기 기상 모델링과 지역별 오염물질 배출량 모델링을 통하여 산출된 결과를 이용하여 대기질 모델링을 수행하는 단계; 각 지역에서 각 오염원 및 대기오염물질을 변화시켜가면서 대기질 모델링을 다수회 수행하고, 이로부터 각 오염원 및 각 대기오염물질 변화에 따른 미세먼지(PM2.5) 농도의 변화를 산출한 후, 각 오염원 및 각 대기오염물질에 대한 미세먼지(PM2.5) 기여농도를 산출하여 데이터베이스화 하는 단계; 상기 산출된 미세먼지(PM2.5) 기여농도를 각 오염원 및 각 대기오염물질의 배출량으로 나누어서, 각 오염원 및 각 대기오염물질의 단위 질량당 기여도를 나타내는 미세먼지(PM2.5) 전환율을 산정하여 데이터베이스화 하는 단계; 각 지역에서 관리하고자 하는 각 오염원 및 각 대기오염물질별 배출량을 선정하여 입력하는 단계; 및 상기 입력된 각 오염원 및 각 대기오염물질별 배출량을 데이터베이스화된 상기 미세먼지(PM2.5) 전환율과 곱하여, 상기 입력된 각 오염원 및 각 대기오염물질별 배출량에 대한 각 지역별 미세먼지(PM2.5) 기여농도를 예측하는 단계;를 포함하고 있을 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예인 지역별 미세먼지 농도 예측방법은, 컴퓨팅 장치에 의하여 각 단계가 작동되는 지역별 미세먼지 농도 예측방법에 관한 것으로서, 기상 모델링 모듈(100)을 이용하여 기상 모델링을 수행하는 단계; 지역별 오염물질 배출량 모델링 모듈(200)을 이용하여 각 오염원 및 각 대기오염물질별 배출량 모델링을 수행하는 단계; 상기 기상 모델링과 지역별 오염물질 배출량 모델링을 통하여 산출된 결과를 이용하여 대기질 모델링을 수행하는 단계; 각 지역에서 각 오염원 및 대기오염물질을 변화시켜가면서 대기질 모델링을 다수회 수행하고, 이로부터 각 오염원 및 각 대기오염물질 변화에 따른 미세먼지(PM2.5) 농도의 변화를 산출한 후, 각 오염원 및 각 대기오염물질에 대한 미세먼지(PM2.5) 기여농도를 산출하여 데이터베이스화 하는 단계; 상기 산출된 미세먼지(PM2.5) 기여농도를 각 오염원 및 각 대기오염물질의 배출량으로 나누어서, 각 오염원 및 각 대기오염물질의 단위 질량당 기여도를 나타내는 미세먼지(PM2.5) 전환율을 산정하여 데이터베이스화 하는 단계; 각 지역에서 관리하고자 하는 각 오염원 및 각 대기오염물질별 배출량을 선정하여 입력하는 단계; 및 상기 입력된 각 오염원 및 각 대기오염물질별 배출량을 데이터베이스화된 상기 미세먼지(PM2.5) 전환율과 곱하여, 상기 입력된 각 오염원 및 각 대기오염물질별 배출량에 대한 각 지역별 미세먼지(PM2.5) 기여농도를 예측하는 단계;를 포함하고 있을 수 있다.
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본 발명에 나타난 지역별 미세먼지 농도 예측방법 및 시스템은, 상당한 전문성과 시간이 필요한 복잡한 3차원 대기질 모델링을 수행하지 않고도, 지자체와 같은 지역별 미세먼지(PM2.5) 대책 및 지역단위의 개발계획 수립시 사전 평가 단계에서 활용할 수 있는 지역별 미세먼지(PM2.5)의 농도 변화 예측자료를 쉽게 도출해 낼 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 나타난 지역별 미세먼지 농도 예측방법 및 시스템은, 지역별로 대표적인 대기오염물질인 NOx, SOx, NH3, VOC 및 PM2.5 중에서 어떤 오염물질이 미세먼지(PM2.5)의 농도에 큰 영향을 미치는지를 파악할 수 있어, 지자체와 같은 지역단위로 맞춤식으로 미세먼지(PM2.5) 대책을 수립할 수 있도록 하는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 나타난 지역별 미세먼지 농도 예측방법 및 시스템은, 특정지역에서 배출된 대기오염물질이 주위의 지역에서 발생하는 미세먼지(PM2.5)의 농도에 어떤 영향을 미치는지 여부를 파악하여, 각 지방자치단체와 같은 지역 간의 협력을 통하여 대기오염물질을 함께 관리할 수 있도록 함으로써, 실효성 있는 미세먼지(PM2.5) 대책을 수립할 수 있도록 하는 장점이 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1. 지역별 미세먼지(PM2.5) 농도 예측 시스템의 구성.
도 2. 모델링 대상 영역.
도 3. 지역별 대기오염물질 배출량의 예시.
도 4. 지역별 기여도 분석 범위.
도 5. 지역별 NOx 배출량의 미세먼지(PM2.5) 기여율의 예시.
도 6. 지역별 NH3 배출량의 미세먼지(PM2.5) 기여율의 예시.
도 7. 지역별 1차적 미세먼지(PM2.5) 배출량의 미세먼지(PM2.5) 기여율의 예시.
도 8. 오염원별, 대기오염물질별 배출량에 대한 미세먼지(PM2.5) 전환율 예시.
도 9. 지자체의 변화된 오염원별, 오염물질 배출량에 대한 기여 농도.
도 2. 모델링 대상 영역.
도 3. 지역별 대기오염물질 배출량의 예시.
도 4. 지역별 기여도 분석 범위.
도 5. 지역별 NOx 배출량의 미세먼지(PM2.5) 기여율의 예시.
도 6. 지역별 NH3 배출량의 미세먼지(PM2.5) 기여율의 예시.
도 7. 지역별 1차적 미세먼지(PM2.5) 배출량의 미세먼지(PM2.5) 기여율의 예시.
도 8. 오염원별, 대기오염물질별 배출량에 대한 미세먼지(PM2.5) 전환율 예시.
도 9. 지자체의 변화된 오염원별, 오염물질 배출량에 대한 기여 농도.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다.
본 발명의 지역별 미세먼지 농도 예측시스템은 도 1에 도시된 바와 같이 기상 모델링 모듈(100);과 지역별 오염물질 배출량 모델링 모듈(200); 및 대기질 모델링 모듈(300)을 포함한다. 상기 시스템의 각 모듈은 컴퓨팅 장치에 의하여 작동할 수 있다.
본 발명의 기상 모델링 모듈(100)은 우리나라의 기상을 모델링할 수 있는 프로그램을 포함하고 있다.
기상 모델링을 수행할 수 있는 다수의 프로그램 중에서, 본 발명의 발명자는 기상 모델링을 수행하기 위하여 미국 NCAR(National Center for Atmospheric Research)를 비롯한 여러 기관이 참여하여 개발한 3차원 중규모 기상 모델인 WRF v3.6.1(Weather Research and Forecast) 프로그램을 사용하였다.
기상 모델링을 할 때, 모델링 대상 영역은 도 2에 도시된 바와 같이 27km, 9km, 3km 해상도 등과 같이 다양한 해상도에 대하여 둥지화(nesting) 기법을 적용하여 결정할 수 있다. 27km 격자 도메인의 경우 한국과 일본 전체 및 중국 영토의 일부를 포함하고, 9km와 3km 격자 도메인은 북한과 남한의 일부 지역을 포함하고 있다.
본 발명에서는 기상 모델링을 수행할 때, 시간은 많이 소요되지만, 지자체별 분석이 가능하도록 3km 격자 도메인에서 고해상도 모델링을 수행하였다.
본 발명의 기상 모델링 모듈(100)을 통하여 기상 모델링을 수행하고, 생산된 기상자료는 상기 대기질 모델링 모듈(300)의 입력자료로 사용한다.
대기오염물질 배출량 모델링 모듈(200)에서는 대기오염물질 배출량에 대한 모델링을 수행한다.
본 발명은 지자체와 같은 각 지역별 '각 오염원 및 각 대기오염물질'(본 명세서에서 '각 오염원별·물질'도 동일한 의미로 사용된다.)의 배출량에 의하여 각 지역별 미세먼지(PM2.5)의 농도 변화를 예측할 수 있는 시스템을 제공하는 것을 목적으로 하고 있으므로, 대기오염물질 배출량 모델링 모듈(200)에서는 각 대기오염원에서 배출되는 다양한 대기오염물질의 배출량으로부터 대기오염물질 배출량을 모델링한다.
대기오염물질을 배출하는 오염원은 다양하므로, 본 발명에서는 점 오염원, 선 오염원 및 면 오염원으로 구분하여 사용한다.
점 오염원은 화석연료를 사용하는 발전소 또는 큰 공장의 굴뚝 등과 같이 모델링 영역에서 점으로 표시될 수 있는 오염원을 나타내고, 선 오염원은 도로 위의 차량 등과 같이 선으로 표시될 수 있는 오염원을 나타내며, 면 오염원은 축산 농장, 주택난방, 세탁소, 큰 굴뚝이 없는 소규모 공장지대 등과 같이 점, 선 오염원 이외의 모든 오염원을 포함한다.
대기오염물질 배출량 모델링에서 대기질을 보다 정확하게 모사하기 위하여 정확한 국내·외 대기오염물질 배출량 정보가 필요하다.
이를 위하여 본 발명에서 국내의 대기오염물질 배출량은 국립환경과학원의 CAPSS(Clean Air Policy Supporting System) 정보를 이용하였다.
도 3에 도시된 바와 같이 대기오염물질의 배출량은 각 지역마다 서로 다르고, 오염원별로 서로 차이도 있다.
본 발명에서는 도 3에서는 도시된 바와 같이 각 지역별 대기오염물질 배출량에 따른 대기질의 영향을 파악하기 위하여, 17개의 지자체에서 오염원에 따라 배출되는 오염원별·대기오염물질들의 배출량을 각각 입력자료로 사용하였다.
즉, 도 3에 도시된 바와 같이 NOx는 경기도에서 약 18만톤/년으로 가장 많이 배출되고, SOx는 충청남도에서 약 8만톤/년으로 가장 많이 배출되며, 1차적으로 생성되는 미세먼지(PM2.5)는 경상북도에서 약 2만톤/년으로 가장 많이 배출되는데, 대기오염물질 배출량 모델링을 할 때, 이처럼 각 지역별 특성을 고려하여 오염원별 대기오염물질의 배출량을 입력자료로 사용하였다.
또한, 일본, 중국 등의 국외 대기오염물질 배출량 정보는 CREATE (Comprehensive Regional Emissions inventory for Atmospheric Transport Experiment) 정보를 이용하였다.
한편, 대기오염물질 중에는 자연 배출량도 일부 포함될 수 있는데, 이는 MEGAN(Model of Emissions of Gases and Aerosols from Nature)을 사용하여 산정하였다.
위에서 살펴본 바와 같이 배출량 모사 영역에 대한 기초 입력 자료와 기상 입력 자료는 3차원 대기오염물질 배출량 자료 처리가 가능한 프로그램인 SMOKE v3.1(The Sparse Matrix Operator Kernel Emissions)을 사용하여 대기질 모델링의 입력자료 형태로 변환한다.
대기질 모델링 모듈(300)에서는 각 지역, 예를 들면 각 지자체에서 배출되는 각 오염원별 대기오염물질의 기여도를 분석하기 위하여 대기질 모델링을 수행한다.
대기질 모델링을 수행할 수 있는 프로그램은 다수 있는데, 본 발명자는 광화학 모델 중에서 CMAQ(Community Multi-Scale Air Quality) v4.7.1을 사용하여 대기질 모델링을 수행하고 이를 통하여 각 오염원별 대기오염물질의 기여도를 분석하였다.
본 발명에서 기여도라 함은 각 오염원별 대기오염물질이 현 상황에서의 미세먼지(PM2.5) 농도에 미치는 영향을 나타내는 것으로 기여농도 및/또는 기여율로 표시될 수 있다.
기여농도와 기여율은 각각 아래 식과 같이 나타낼 수 있다.
기여농도 = [기본 상태의 미세먼지(PM2.5) 농도] - [변화된 상태의 미세먼지(PM2.5) 농도] (1)
기여율(%) = 기여농도/[기본 상태의 미세먼지(PM2.5) 농도] × 100 (2)
이 때, [기본 상태의 미세먼지(PM2.5) 농도] 는 국내 및 국외 대기오염물질 배출량 정보에 나타난 각 지역에서 배출되는 각 오염원별 대기오염물질 배출량을 입력하였을 때의 도출되는 각 지역별 미세먼지(PM2.5)의 모사농도를 나타낸다.
[변화된 상태의 미세먼지(PM2.5) 농도] 는 각 지역에서 배출되는 특정 오염원에서 특정 대기오염물질의 배출량 전체를 삭감하였을 때, 도출되는 변화된 각 지역별 미세먼지(PM2.5)의 모사농도를 나타낸다.
기여율은 상기 기여농도를 [기본 상태의 미세먼지(PM2.5) 농도]에 대한 기여농도의 비(ratio)로 나타낸다.
상기 기여농도와 기여율은 각 오염원의 대기오염물질이 미세먼지(PM2.5)의 농도에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있다.
본 발명자는 도 4에 도시된 바와 같이 각 지역을 17개의 지자체로 구분하고, 각 오염원 및 각 대기오염물질에 대한 미세먼지(PM2.5) 기여도를 산정하기 위한 총 255회의 대기질 모델링을 하였다.
지자체별로 보다 정밀한 기여도 분석을 위하여 전국을 대상으로 3km 격자 해상도의 고해상도 모델링을 수행하였는데, 수치계산용 병렬 서버에서 총 32개의 core를 사용하여 대기질 모델링 1회 수행하는데 약 15일이 소요되었다.
이처럼, 대기질 모델링에는 전문성 및 많은 시간이 소요되므로, 본 발명자는 지역별 미세먼지 농도 변화를 예측할 수 있는 방법 및 시스템을 고려하게 되었다.
도 5 내지 7은 대기질 모델링을 수행한 후, 경기도와 충청남도의 NOx, NH3, 1차적인 미세먼지(PM2.5) 배출량이 해당 지자체 및 주위의 지자체에서의 미세먼지(PM2.5) 농도 기여율 그래프를 나타낸다.
도 5 내지 7에 나타난 미세먼지(PM2.5) 농도 기여율 그래프에서 알 수 있듯이 대기오염물질 및/또는 오염원에 따라 미세먼지(PM2.5) 농도에 기여하는 정도가 차이가 있고, 이는 지역, 즉, 지자체에 따라서도 차이가 있다.
따라서, 특정 지역에서 배출되는 대기오염물질의 배출량에 대하여 해당 지역 에서의 미세먼지(PM2.5) 농도 기여도뿐만 아니라, 그 주위 지역에서의 미세먼지(PM2.5) 농도 기여도를 확인하는 것이 필요함을 알 수 있다.
또한, 도 5 내지 7에 도시된 바와 같이 특정 대기오염물질의 미세먼지(PM2.5) 농도 기여도는 지역마다 차이가 있으므로, 특정 대기오염물질의 배출량을 동일하게 저감하더라도 그 기여도는 지역마다 차이가 있음을 알 수 있고, 단순히 대기오염물질의 배출량을 저감하는 것으로는 미세먼지의 농도를 예측하기 어려움을 알 수 있다.
도 5 내지 7에 도시된 미세먼지(PM2.5) 농도 기여율을 통해서 각 지역에서 오염원별 각 대기오염물질이 해당 지역 및 주위의 지역에 발생하는 미세먼지(PM2.5) 농도에 기여하는 정도를 파악할 수 있다.
하지만, 상기 미세먼지(PM2.5) 농도 기여율과 미세먼지(PM2.5) 기여농도에는 각 지역에서 오염원별 각 대기오염물질의 배출량에 대한 정량적인 정보가 나타나 있지 않다.
따라서, 미세먼지 농도 기여율 또는 미세먼지 기여농도를 통해서는 각 대기오염물질의 배출량의 정량적 변화에 대하여 정량적 농도 변화량을 예측할 수 없다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 발명자는 아래의 식 (3)에 나타난 바와 같이 대기오염물질별 단위질량당 미세먼지(PM2.5)의 기여농도를 나타내는 미세먼지(PM2.5) 전환율을 고려하였다.
미세먼지 전환율 = [미세먼지 기여농도]/(해당 대기오염물질 배출량) (3)
본 발명에서는 오염물질의 배출량을 톤(ton)으로 나타내고, 미세먼지(PM2.5) 전환율은 오염원별 해당 대기오염물질의 1톤당 미세먼지(PM2.5) 기여농도를 나타낸다.
도 8에는 미세먼지(PM2.5) 전환율의 예시로써, 충남의 오염원별·물질별 미세먼지 전환율이 나타나 있다.
도 8에 나타난 미세먼지 전환율은 기여도를 나타내는 기여율 등과 마찬가지로 해당 지역의 미세먼지(PM2.5) 특성을 나타내는 값 중의 하나이지만, 기여도를 나타내는 기여율과 동일한 경향을 나타내지는 않는다. 이는 미세먼지(PM2.5) 전환율이 오염원별·물질별 단위 배출량인 1톤당 기여농도에 해당하므로, 오염원별·물질별 실제 배출량에 차이가 있기 때문에 기여율과 다른 경향을 나타내는 것이고, 이러한 기여도와의 차이점으로 인하여 미세먼지(PM2.5) 전환율이 의미를 갖는 지표가 된다.
도 8에 나타난 상기 미세먼지(PM2.5) 전환율은 오염원별·물질별 정량적 배출량을 통하여 오염원별·물질별 미세먼지(PM2.5) 기여농도를 예측할 수 있다.
도 9에는 충남의 오염원별·물질별 배출량을 기존의 배출량보다 30% 삭감한 경우의 예를 나타낸 것이다.
도 9에 나타난 각 오염원별·물질별 배출량을 도 8에 나타난 미세먼지(PM2.5) 전환율과 곱하면, 도 9에 나타난 충남의 오염원별·물질별 배출량 삭감에 따른 삭감된 기여농도를 산출해 낼 수 있다. 도 8의 미세먼지(PM2.5) 전환율에서는 1차적 미세먼지(PM2.5)의 전환율이 가장 큰 값을 나타내고 있지만, 도 9에 도시된 바와 같이 관리 또는 배출될 1차적 미세먼지(PM2.5)의 배출량의 정량적 값이 작으므로, 기여농도에는 큰 영향을 미치지는 않고, NH3의 면오염원은 미세먼지(PM2.5) 전환율이 1차적 미세먼지(PM2.5)의 선, 면오염원의 미세먼지(PM2.5) 전환율보다 작은 값을 갖지만, 배출량이 크므로, 실제 기여농도는 가장 크게 나타나는 것을 알 수 있다.
한편, 특정 오염원의 대기오염물질에 대하여 미세먼지(PM2.5) 전환율이 큰 경우에는 동일한 양으로 대기오염물질이 증가할 경우, 미세먼지(PM2.5) 전환율이 낮은 다른 대기오염물질의 배출량이 증가하는 경우보다 미세먼지(PM2.5) 기여농도가 상대적으로 더 증가하는 경향을 갖게 될 것도 쉽게 예측할 수 있다.
한편 도 8에 나타난 미세먼지(PM2.5) 전환율은 하나의 대기오염물질을 저감시킬 때의 값을 나타낸다.
즉, NH3 면오염원을 저감시킬 때에는 다른 대기오염물질은 변화시키지 않고 동일하게 유지를 한 경우에서의 미세먼지(PM2.5) 전환율을 나타낸다.
한편, NOx, NH3, SOx 등과 같은 대기오염물질은 광화학 특성에 의하여 서로 중복되는 질산염 및/또는 황산염과 같이 공통된 특징을 갖는 미세먼지를 발생시킬 수 있다.
NH3와 NOx, SOx를 함께 저감하는 경우의 미세먼지의 저감 효과를 산정하는 경우, NH3의 저감으로 질산염과 황산염이 감소하는 영향과, NOx 저감으로 인한 질산염 저감 효과, SOx 저감으로 인한 황산염 저감 효과가 이중으로 산정되지 않도록 하여야 보다 정확한 전환율을 산정할 수 있을 것이다.
따라서, 여러 종류의 대기오염물질에 변화가 있는 경우에는 별도의 다중물절 저감을 시킨 상태에서 대기질 모델링을 수행한 후, 별도의 미세먼지(PM2.5) 전환율을 산정하는 것이 보다 바람직할 것이다.
위에서 살펴본, 본 발명의 지역별 미세먼지 농도 예측시스템은 기상 모델링 모듈(100); 지역별 오염물질 배출량 모델링 모듈(200); 및 대기질 모델링 모듈(300);을 포함하고 있고, 상기 대기질 모델링 모듈(300)에서는, 지역별, 오염원별, 대기오염물질별의 배출량을 변화시키면서 대기질 모델링을 수행하여 미세먼지(PM2.5) 농도를 산출하는 구성을 포함한다.
또한, 상기 대기질 모델링 모듈(300)에는 기존의 미세먼지(PM2.5) 농도와 상기 변화된 대기오염물질을 갖는 경우의 미세먼지(PM2.5) 농도 차이를 이용하여 각 오염원별·물질에 의한 미세먼지의 기여농도를 산출하는 구성을 포함하고 있다.
또한, 각 오염원별·물질에 의한 미세먼지의 기여농도로부터 배출량당 기여농도인 전환율을 산출하는 구성을 포함하고 있다.
이러한 구성을 갖는 지역별 미세먼지 농도 예측시스템을 이용하여 지역별 미세먼지 농도를 예측하는 방법을 살펴보면 다음과 같다.
기상 모델링 모듈(100)을 이용하여 기상 모델링을 수행하는 단계를 갖고, 상기 지역별 오염물질 배출량 모델링 모듈(200)을 이용하여 각 오염원별·물질별 배출량 모델링을 수행하는 단계를 갖는다.
다음으로, 상기 기상 모델링과 지역별 오염물질 배출량 모델링을 통하여 산출된 결과를 이용하여 대기질 모델링을 수행한다.
상기 대기질 모델링은 각 지역에서 오염원별·물질을 변화시켜가면서 대기질 모델링을 다수회 수행하고, 이로부터 각 오염원별·물질별 미세먼지(PM2.5) 농도의 변화를 산출하고, 이로부터 각 오염원별·물질이 미세먼지(PM2.5) 농도에 영향을 미치는 기여도를 산출한다.
다음으로 상기 산출된 미세먼지(PM2.5) 농도 기여도, 특히 기여농도를 각 오염원별·물질의 배출량으로 나누어서, 각 오염원별·물질의 단위 질량당 기여농도를 나타내는 미세먼지(PM2.5) 전환율을 산정한다.
그 다음으로, 각 지역에서의 각 오염원별·물질의 배출량을 변화시키고, 변화된 배출량과 상기 산출된 미세먼지(PM2.5) 전환율을 곱하여 각 오염원별·물질의 변화된 배출량에 대응되는 변화된 기여농도 또는 삭감농도를 예측할 수 있다.
본 발명의 지역별 미세먼지 농도 예측방법 및 시스템은 각 오염원 및 대기오염물질별 기여도 및 전환율을 산출하고 이를 데이터베이스화하여 시스템에 내장해 두면, 각 오염원별·물질의 관리하고자 하는 배출량을 변화시키면서 이에 따른 미세먼지의 농도 변화를 쉽고, 빠르게 예측해 낼 수 있는 장점이 있다.
또한, 이미 전환율을 데이터베이스화하여 시스템에 내장하고 있으므로, 특별한 전문성이 없더라도 기존의 대기오염물질 배출량과 대비하면서 보다 효과적으로 대기오염물질의 배출량을 관리할 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 기상 모델링 모듈
200: 지역별 오염물질 배출량 모델링 모듈
300: 대기질 모델링 모듈
200: 지역별 오염물질 배출량 모델링 모듈
300: 대기질 모델링 모듈
Claims (5)
- 컴퓨팅 장치에 의하여 각 단계가 작동되는 지역별 미세먼지 농도 예측방법에 있어서,
기상 모델링 모듈(100)을 이용하여 기상 모델링을 수행하는 단계;
지역별 오염물질 배출량 모델링 모듈(200)을 이용하여 각 지역별 각 오염원 및 각 대기오염물질별 배출량 모델링을 수행하는 단계;
상기 기상 모델링과 지역별 오염물질 배출량 모델링을 통하여 산출된 결과를 이용하여 대기질 모델링을 수행하는 단계;
각 지역에서 각 오염원 및 대기오염물질을 변화시켜가면서 대기질 모델링을 다수회 수행하고, 이로부터 각 오염원 및 각 대기오염물질 변화에 따른 미세먼지(PM2.5) 농도의 변화를 산출한 후, 각 오염원 및 각 대기오염물질에 대한 미세먼지(PM2.5) 기여농도를 산출하여 데이터베이스화 하는 단계;
상기 산출된 미세먼지(PM2.5) 기여농도를 각 오염원 및 각 대기오염물질의 배출량으로 나누어서, 각 오염원 및 각 대기오염물질의 단위 질량당 기여도를 나타내는 미세먼지(PM2.5) 전환율을 산정하여 데이터베이스화 하는 단계;
각 지역에서 관리하고자 하는 각 오염원 및 각 대기오염물질별 배출량을 선정하여 입력하는 단계; 및
상기 입력된 각 오염원 및 각 대기오염물질별 배출량을 데이터베이스화된 상기 미세먼지(PM2.5) 전환율과 곱하여, 상기 입력된 각 오염원 및 각 대기오염물질별 배출량에 대한 각 지역별 미세먼지(PM2.5) 기여농도를 예측하는 단계;를 포함하고 있어, 지역별 맞춤식 미세먼지(PM2.5) 대책을 수립하고 지역 간의 협력을 통하여 대기오염물질을 함께 관리하는 대책을 수립하는데 활용할 수 있는 것을 특징으로 하는 지역별 미세먼지 농도 예측방법.
- 삭제
- 기상 모델링을 수행하는 기상 모델링 모듈(100); 지역별 각 오염원 및 각 대기오염물질별 배출량 모델링을 수행하는 배출량 모델링 모듈(200); 및 상기 기상 모델링 결과 및 상기 배출량 모델링 결과를 입력에 포함하여, 미세먼지(PM2.5)의 현황을 모델링하는 대기질 모델링 모듈(300)을 포함하는 지역별 미세먼지 농도 예측 시스템에 있어서,
상기 대기질 모델링 모듈(300)은,
지역별 각 오염원 및 각 대기오염물질별 배출량 변화에 대한 대기질 모델링을 다수회 수행하여, 이로부터 각 오염원 및 각 대기오염물질에 대한 미세먼지(PM2.5) 기여농도를 산출하고 데이터베이스화 하는 구성;
상기 미세먼지(PM2.5) 기여농도로부터 단위배출량당 미세먼지(PM2.5) 기여도를 나타내는 지역별 각 오염원 및 각 대기오염물질별 미세먼지(PM2.5) 전환율을 산출하고 데이터베이스화 하는 구성;
각 지역에서 관리하고자 하는 각 오염원 및 각 대기오염물질별 배출량을 선정하여 입력하는 구성; 및
상기 입력된 각 오염원 및 각 대기오염물질별 배출량을 데이터베이스화된 상기 미세먼지(PM2.5) 전환율과 곱하여, 변화된 오염원별·오염물질별 배출량의 각 지역별 미세먼지(PM2.5) 기여농도를 예측하는 구성;을 포함하고 있어, 지역별 맞춤식 미세먼지(PM2.5) 대책을 수립하고 지역 간의 협력을 통하여 대기오염물질을 함께 관리하는 대책을 수립하는데 활용할 수 있는 것을 특징으로 하는 지역별 미세먼지 농도 예측 시스템.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| AMND | Amendment | ||
| E601 | Decision to refuse application | ||
| AMND | Amendment | ||
| X701 | Decision to grant (after re-examination) |