요 약 문

본 연구에서는 복잡한 서울 지역 대기 중 PM2.5의 거동특성을 파악하기 위하여 수도권 대기오염집중측정소에서 2010년부터 3년 동안 PM2.5의 질량농도 및 이온, 탄소, 금속성분에 대한 1시간 간격 준실시간 모니터링을 수행하였다. 이와 같이 1년 이상의 기간 동안 PM2.5의 주요 성분에 대해 시간 해상도가 높은 측정자료를 생산한 연구는 국내외적으로 유례가 없으며 이러한 측정자료로부터 복잡한 거동을 나타내는 서울 지역 대기 중 미세입자의 생성 및 변환과정에 대한 보다 명확한 이해가 가능할 것으로 기대하였다.
논문은 크게 세 부분으로 구성된다. 첫째 측정지점 대기 중 PM2.5의 화학적 성분특성과 함께 미세입자의 주요 부분을 차지하는 유기물질의 발생특성에 따른 성분조성을 파악하였다. 둘째 수용모델을 사용하여 이 지역 PM2.5 농도 및 고농도 미세먼지 사례 발생에 영향을 미치는 발생원과 그 기여율을 추정하였다. 마지막으로 기상 및 역궤적 분석결과를 사용하여 PM2.5 발생원 지역을 추정하고, 이 지역 PM2.5 농도에 대한 장거리 이동 오염원의 영향을 정량적으로 평가하였다.
우선 다양한 연소 배출원 및 대기 중 광화학 반응의 영향을 받는 입자상 유기물질의 성분조성을 파악하기 위해 HR-ToF-AMS(high-resolution time- of-flight aerosol mass spectrometer)를 사용하여 계절별 집중관측 기간 및 2012년에 대해 PM1 중 유기물질을 준실시간 모니터링하였다. 이때 발생특성에 따라 유기물질 성분을 세분화하고, 매 시간 각 성분의 기여농도를 산출하기 위해 이온화된 유기물질의 질량농도를 PMF 분석에 적용하였다. 그 결과, HOA(Hydrocarbon-like organic aerosol), COA(Cooking-related organic aerosol), BBOA(Biomass burning organic aerosol)와 같이 각종 연소배출원에서 배출되는 유기물질들과 함께 대기 중 광화학 반응에 의해 생성되는 OOA (Oxidized organic aerosol)가 산화정도에 따라 세 가지로 구분되어 나타났고, 그 외에도 미세입자가 가스상 아민과 결합된 형태인 NOA(Nitrogen-rich organic aerosol)의 영향이 관찰되었다.
발생특성에 따라 세분화된 유기물질 성분을 포함한 PM2.5의 시간평균 성분조성은 서울 지역 대기 중 PM2.5의 발생원 추정 및 기여도 산정을 위해 수용모델인 EPA PMF(ver. 3.0)에 적용하였다. 그 결과, 유기탄소 농도를 사용한 수용모델결과보다 세분화된 연소배출원과 이차생성 유기에어로솔의 영향을 확인할 수 있었다. 이 지역 대기 중 PM2.5 농도에 영향을 미치는 발생원으로는 질산염, 황산염, 유기물질과 연관된 이차에어로솔과, 자동차 배출원, 생체연소 배출원, 취사 배출원, 폐기물 소각, 도로재비산먼지, 오염물질과 결합된 해염입자 등이 추정되었다. 그 중 대기 중 광화학 반응에 의해 생성되는 이차에어로솔의 영향이 전체 PM2.5 질량농도의 절반 이상을 차지하였고, 인위적 오염원 중에서는 생체 연소와 자동차 배출원의 기여율이 비교적 높았다. 생체연소 배출원의 영향은 산불이나 농경지에서의 생체연소와 주거용 목재연료 연소의 영향이 구분되어 관찰되었다. 특히 자동차 배출원의 경우 직접 PM2.5 질량농도에 미치는 영향은 미미한 반면, 배출된 오염물질이 주로 이차생성 질산염이나 이차생성 유기에어로솔의 형태로 영향을 미치는 것으로 나타났다.
마지막으로 측정된 오염물질의 농도는 주변지역에서 배출된 오염물질과 원거리에서 이동해온 오염물질 농도의 단순 합이고, 외부 오염원으로부터의 영향은 배출원의 위치에 따라 풍향의존성이 높게 나타난다는 가정 하에 역궤적 분석결과 및 풍향 의존성을 근거로 장거리 이동 오염원의 영향을 정량적으로 평가하였다. 그 결과, 2010년부터 2012년까지 측정지점 평균 PM2.5 질량농도 중 동북아시아지역 배경농도(Regional Background)를 제외한 장거리 이동 오염물질의 평균기여율은 약 20 %로 나타났고, 주로 이차생성 황산염과 질산염, 생체연소 배출물질의 형태로 영향을 주는 것으로 추정되었다.

Abstract

This study is aimed to investigate the complex characteristics of ambient PM2.5 in Seoul. The mass and chemical compositions of PM2.5 were measured in 1 hour interval using β-ray method, ambient ion monitor, semi-continuous carbon analyzer, and on-line XRF at Seoul supersite from 2010 to 2012. The time-resolved long-term monitoring of PM2.5 chemical composition, uniquely tried in this study, could help to understand the chemical composition and processes that control the formation and transformation of PM2.5 in Seoul.
This study is composed of three parts. The first part is the chemical characterization of ambient PM2.5 in Seoul and the speciation of organic matter contributed to a significant fraction of PM2.5. The second part is the source apportionment of PM2.5 in order to estimate the source of ambient PM2.5 and understand the cause for high PM episodes in this region. In the third part, the contribution of long-range transported pollutants to the PM2.5 concentration is quantitatively evaluated based on the directional dependence of it.
First, the organic composition of non-refractory PM1 was measured by using a high-resolution time-of-flight aerosol mass spectrometer (HR- ToF-AMS) during seasonal intensive monitoring periods and in 2012. The ionized mass spectrum data of organic matter was then analyzed by PMF (Positive matrix factorization) in order to speciate the organics according to the source and calculate their concentrations. As a result, seven components of the organics were resolved including organic aerosols emitted from various primary combustion sources such as hydrocarbon-like organic aerosol (HOA), cooking-related organic aerosol (COA), and biomass burning organic aerosol (BBOA) as well as three types of oxidized organic aerosols (OOAs) and nitrogen-rich organic aerosol (NOA).
The time-resolved PM2.5 chemical composition including speciated organic components was analyzed by using EPA PMF (version 3.0) to identify the sources of ambient PM2.5 and to estimate their contributions. The PMF result using speciated organic components especially showed the influence of secondary organics and subdivided combustion sources on ambient PM2.5. The PMF analysis resolved ten PM2.5 sources including road dust, aged sea-salt combined with anthropogenic pollutants, secondary sulfate, secondary nitrate, secondary organics, motor vehicle, cooking emission, agricultural burning, residential wood combustion, and municipal incineration. This study found that the average PM2.5 mass was mainly apportioned to secondary aerosols related to sulfate, nitrate, and organics and anthropogenic sources such as biomass burning and motor vehicle. The contribution of biomass burning, which divided into agricultural burning from cultivation and residential wood combustion, was more than 15 %. Motor vehicle emission individually contributed very little to the PM2.5 mass. But it mainly impacted on ambient PM2.5 as a form of secondary organics or secondary nitrate.
Finally, the contributions of local versus distant sources to ambient PM2.5 mass were estimated by using the backward air trajectories on the assumption that the concentration of pollutants observed at Seoul supersite is the sum of contributions from distant and local sources, and the former is expected to show strong directional dependence according to the source location while the latter would be directionally independent. As a result, about 20 % of average PM2.5 mass measured at Seoul supersite from 2010 to 2012 was transported from a distance as a form of secondary sulfate, secondary nitrate, and biomass burning except the regional background in Northeast Asia.