[대기환경]24. 환경기상 관측

[은행나무]

24. 환경기상 관측

가. 서론

  인류는 오랜 옛날부터 농업, 어업 등 인간생활에 많은 영향을 주는 날씨에 대하여 많은 관심을 가져왔으며 근대에 들어와서는 체계적인 측정 방법을 제정하여 정기적인 관측을 실시하고 있고 그 측정 결과에 의한 예보는 실생활에서 중요하게 이용되고 있다.

  한편 환경오염이 심각해짐에 따라 대기오염물질의 이동 확산과 관련하여 지상 1∼2㎞ 고도 이내의 도시규모에서의 바람, 기온 등에 관한 보다 자세한 측정 자료가 절실히 요구되고 있으며 이러한 환경 오염과 관련하여 측정하는 기상관측을 기존의 일반적인 기상관측과 구분하여 환경기상관측이라 한다. 주로 미기상에 해당되는 환경기상 항목에는 지상 및 고도별 풍향, 풍속, 기온, 습도, 일사량 자료 등과 이들 자료로부터 도출되는 혼합고, 역전층, 수직 수평 확산 계수, 대기안정도 등이 중요하게 활용된다. 본 자료에서는 이러한 환경기상 항목의 관측 방법에 대하여 설명하고자 한다.

나. 측정 방법

(1) 지상기상관측

  과거에는 수동식 또는 기계식 장비가 대부분이었으나 최근에는 측정기술이 발달하여 거의 자동화된 기기로 측정되며 흔히 AWS(Automatic Weather Station)이라는 측정기기로 관측하고 있다.

(가) 풍향 풍속

1) 일반적으로 지상 10m 고도에서 측정하며, 주변에 건물이나 나무 등에 의한 영향이 없도록 주의하여야 한다.

2) 측정자료는 대개 1시간 평균치를 사용하며 10분 또는 15분 평균치를 사용하기도 한다.

3) 또한 수평 확산을 판단할 수 있는 풍향의 표준편차를 계산하는 경우도 있다.

4) 측정 단위로서 풍향은 도 또는 16방위를, 풍속은 m/s를 소수 첫째 자리까지 측정한다.

(나) 기온

1) 잔디밭 위 1.5m고도에서 백엽상 또는 전용 측정 장치내에서 관측한다.

2) 수직확산을 결정하는데 중요한 인자이므로 고도별로 측정 센서를 설치하여 관측하는 경우도 있다.

3) 측정치는 대개 매 정시에서의 순간치를 뜻하나 목적에 따라 간혹 1시간 평균치를 사용하기도 한다.

4) 측정 단위는 ℃로써 소수 첫째자리까지 표기한다.

(다) 기압

1) 날씨 변화와 기압대 이동 등을 파악하는데 유용한 인자이다.

2) 측정단위는 hPa단위로 나타내며, 1기압은 1013.15hPa에 해당된다.

(라) 습도

1) 절대습도와 상대습도가 사용되며 실생활에서는 대개 상대습도를 널리 사용한다.

2) 오염물질의 화학반응과 시정장애 현상과 밀접한 관계가 있으며 % 단위로 나타낸다.

(마) 강수량

1) 산성비, 시정장애, 오염물질의 씻겨내림(washout) 등의 연구에 활용된다.

2) 기록 단위는 ㎜로 표기하며, 눈의 경우는 ㎝ 단위를 사용한다.

(2) 상층기상관측

  대기오염물질은 지상 또는 상공에서 배출되어 확산되므로 상층 대기 특성 파악이 중요하다. 도시규모에서는 지상부터 약 2㎞ 내외까지의 기상 특성 파악 필요하고 국가간 장거리 이동 규명시는 지상 약 3∼5㎞까지의 기상 자료 필요하다. 상층기상 관측방법으로는 Radio Sonde, SODAR/RASS, 고층기상탑 이용법 등이 있다.

(가) Radio Sonde

1) 원리 : 온도, 기온, 습도 센서를 장착한 센서 상자를 헬륨이나 수소를 채운 풍선에 매달아 비양시키면서 보내온 측정신호를 컴퓨터로 분석하여 측정하는 방법이다.

2) 측정고도 : 풍선 상승고도와 센서의 작동 조건에 따라 달라지나 대개 10∼35 km 까지 가능하다.

3) 측정 방법 : 풍향과 풍속은 지상에서 비양하는 풍선(센서상자)를 추적하여 방위각과 고도각을 계산하고 센서에서 보내오는 기압 변화로 상승 속도를 계산한 후 삼각함수에 의해 일정 고도 구간에서의 평균 풍향, 풍속을 구한다.

4) 종류 : Air-Sonde, Tethered Balloon, Rawin-Sonde, Rocket-Sonde, Drop-Sonde, Ozone-Sonde 등 센서 또는 관측방법에 따라 다양하며, 현재 국내에서 사용중인 Radio- Sonde 의 형태는 다음의 두 종류이다.

가) Air-Sonde : 403.5 MHz의 주파수 신호를 사용하는 것으로써 수동식 Theodolite를 사용하며 기압센서의 정확도가 ±3 hPa 정도이고 구름속 관측과 악천후에는 사용이 곤란하다. 측정고도는 약 5km 정도이고 국내에서는 현재 국립환경연구원, 서울대학교, 한국전력, 연세대학교 등이 보유중이다.

나) Rawin-Sonde : 1,680MHz대의 주파수를 사용하는 것으로써 자동 추적 Radiotheodolite 를 사용하며 기압센서의 정확도가 ±1 hPa 로 비교적 정확하며 악천후에도 관측이 가능하며 측정고도는 약35km까지이며, 현재 국립환경연구원, 기상연구소, 서울대학교에서 보유중이다.

(나) SODAR/RASS

1) 명칭 및 원리 : SODAR(SOnic Detection And Ranging)는 Acoustic Sounder 또는 Acoustic Wind Profiler라고 부르며, 음파를 이용하여 발신된 신호음이 각 기층에서 반사 되어 올 때 기층의 이동에 의해 주파수 변화가 나타나는 것을 Doppler 이론에 의해 컴퓨터로 계산함으로써 수평 및 수직 방향의 풍향과 풍속을 측정하는 기기이다.

2) 특징 : 컴퓨터에 의해 자동 제어되므로 수 백m까지 원하는 고도 및 평균값에 대해 연속 측정이 가능하지만 소음을 발생과 주변의 측정 환경(소음, 장애물 등)에 민감하고 신호음의 누적 평균을 사용하므로 순간 측정이 불가능한 단점이 있다.

3) 구성 : RASS(Radio Acoustic Sounding System)는 고도별 기온을 측정하는 장비로서 단독으로는 측정이 불가능하고 SODAR와 연결되어 가동되며 모든 변수 및 명령어 수행도 SODAR의 기본 프로그램에 의해 제어된다. 측정원리는 SODAR와 동일하게 Doppler 효과를 이용하지만 음파대신 전자파(915MHz)를 사용하며 안테나는 각각 발신 및 수신 안테나 2개로 구성되어 연속 송수신을 한다.

4) 보유 기관 : 현재 본 장비 보유 기관으로서는 국립환경연구원이 SODAR/RASS를, 기상연구소가 mini-SODAR를 가동하고 있는 정도이다.

5) 측정 자료 : 국립환경연구원에서 측정하고 있는 자료의 내용은 50m∼920m 고도 사이의 풍향, 풍속, 수직풍속, 바람의 벡터성분, 기온 등을 매 시간 생산중이다.

6) 활용범위 : 고도별 바람 특성 및 대기 난류 특성 조사, 해륙풍 및 도시 대기 순환 연구, 혼합고 및 기온 역전층 분석, 대기오염물질 확산 이동 연구 등 다양하게 활용가능하다.

(다) 고층 기상탑(Meteorological Tower)

1) 원리 : 고층 철탑의 원하는 고도에 바람, 온도, 습도, 난류측정기 등의 측정센서를 설치하여 고도별 기상요소를 관측하는 방법이다.

2) 특징 : 부지 확보 및 시설비가 막대하게 소요되는 단점이 있으나 가장 정확하게 측정, 관리할 수 있을 뿐만 아니라 필요시 오염도 측정 기기 설치도 가능한 장점이 있다.

3) 현황 : 국내에는 전용 기상탑이 없으나 미국에는 오래 전부터 St. Louis시의 Brookhaven National Laboratory(BNL)에 123m기상탑을 이용하여 각종 확산 연구를 수행한 바 있고, Denver시 부근에는 약 300m급(세계최고) 기상탑을 가동중이다. 또한 일본의 과학연구 단지인 츠쿠바 소재 기상연구소에서는 213m의 기상측정탑을 활용중이다.

(라) Tethered Balloon과 Pilot Balloon

1) Tethered Balloon : 센서를 부착한 풍선에 끈을 묶어 오르내리면서 기상 관측을 하는 방법으로 원칙적으로 Radio Sonde의 일종이지만 센서 자체에 풍향, 풍속계가 달려있고 끈의 길이에 따라 측정고도가 결정되는 차이점이 있다.

2) Pilot Balloon : 풍선만을 비양하고 theodolite로 방위각과 고도각을 측정한다. 한 시간 간격으로 측정된 방위각 및 고도각과 풍선의 상승속도를 이용하여 삼각함수법에 의해 고도별 풍향 풍속만을 계산하는 방법으로서 비용이 매우 적게 드는 장점이 있다.

다. 측정 자료의 활용

(1) 기온역전층과 혼합고

(가) 기온역전층

1) 특징 : 대류권내에서 온도는 고도에 따라 감소하는 것이 보통이지만 경우에 따라 온도가 높아지는 층이 생길 때가 있으며 이 층을 기온역전층이라 한다. 이러한 기온역전층이 형성되면 배출된 오염물질은 역전층을 통과하지 못하고 그 아래에 축적되어 고농도를 유발하는 경우가 있다.

2) 기온역전층의 평가 : 기온 역전의 강약 여부는 역전층 하부의 고도, 역전층의 두께, 기온 증가율로 결정하며 상층기상 관측자료로 알 수 있다.

3) 종류 : 역전층은 그 발생 유형에 따라 복사역전, 침강역전, 이류역전 등으로 구분한다. 이 중 야간의 복사 냉각에 의해 발생하는 복사역전과 미국 LA지역에서 자주 발생되는 침강역전이 중요함. 이들 기온 역전 현상을 종류별로 간단히 설명하면 다음과 같다.

가) 복사역전 : 지표는 대기보다 쉽게 가열되고 식으므로 주간에 충분히 가열됐던 지표가 야간에 계속 냉각되면 지표부근의 대기 온도가 상층의 대기보다 낮아져 역전층을 형성하게 된다. 이 역전층은 대개 지표부근에서 발생되므로 대기오염에 많은 영향을 준다.

나) 침강역전 : 고기압 중심에서는 상층의 공기가 서서히 침강하게 되며 이때 하강하는 기층은 단열압축에 의해 온도가 올라가게 되어 하층의 대기층 사이에 역전층을 형성한다. 이 층은 대개 상층에서 발생되나 매우 안정하고 오염물질의 수직 확산을 억제한다.

다) 이류역전 : 따뜻한 공기가 차가운 공기위로 이류되면서 나타나는 기온 역전을 말하며 전선역전도 이의 일종이다.

(나) 혼합고

1) 혼합고란 : 지상의 대기가 난류 확산에 의해 혼합될 수 있는 고도를 말하며 하루중 가장 높은 혼합고도를 일최대 혼합고라 하며 보통 15시경에 나타난다.

2) 계산 방법 : 흔히 상층기상 자료에서 지상의 기온을 건조단열 감율선을 따라 그은 선과 환경감율선이 만나는 고도를 혼합고로 결정하며, 보통 혼합고 부근에서는 역전층, 습도 또는 풍향의 급변이 나타난다.

3) 온위 이용법 : 혼합고 산정시 온위(potential temperature)를 사용하면 편리하다. 온위란 어떤 고도에서의 기온을 일정한 고도(대개 1,000hPa)에서의 기온으로 환산한 값(절대온도로서)을 말하며 실질적인 온도차를 비교할 수 있다. 즉, 온위 θ는,

  θ = T(P_o/P)^R/Cp = T(1000/P)^0.2859

    T : 온도(K)

    P : 기압(hPa)

    R : 기체상수(287 Jkg^-1K^-1)

    Cp: 정압비열(1,004 Jkg^-1K^-1)

(2) 대기확산모델

o대부분의 확산모델에서는 시간별 풍향, 풍속과 혼합고, 대기안정도, 기온 등의 자료가 직접 또는 가공된 형태로 입력된다.

o 이들 관측자료는 연기상승(plume rise)과 수직 수평 확산 이동을 결정하는 주요 인자들이다.

o 또한 기상관측 자료중 대기안정도를 계산하는데 필요한 인자는 풍속, 고도별 기온변화율, 일사량(또는 운량, 운고), 풍향의 표준편차 등이 있다.