지속적인 배출 저감 노력에도 불구하고 도심에서의 고농도 미세먼지 사례는 여전히 빈번히 나타나고 있다. 도심에서의 많은 자동차는 다수의 오염물질을 배출하며 도심 미세먼지의 상당 부분을 기여한다고 알려져 있다. 과거에는 자동차 배기가스에서 배출되는 오염물질이 양이 절대적이기 때문에 배기가스에서 기인한 미세먼지에 관한 연구가 주로 진행되었지만, 규제강화로 배기가스 내 오염물질의 양이 줄어들면서 상대적으로 비-배기성 배출이 차지하는 비중이 늘어나게 되었다. 이에 따라 비-배기성 배출에서 기인한 미세먼지에 대한 관심도 증가하고 있다. 자동차의 비 배기성 배출에 관한 연구는 주로 도로표면 마모 및 재비산먼지에 집중되어있지만, 타이어와 브레이크 마모에서 기인한 미세먼지 역시 많다는 것이 알려지면서 타이어와 브레이크 마모에서 기인한 미세먼지의 물리 화학적 특성 및 배출계수를 산정하고자 하는 연구들이 진행되고 있다. 하지만 이는 배출량 산정연구에 한정되어있으며 모델을 통한 기여도 산정연구 등은 이루어지지 않고 있다. 따라서 본 연구에서는 서울 시내의 교통량과 미세먼지 및 미량 금속 성분의 관측 자료와 상세규모 대기화학 수송모형을 이용하여 자동차의 타이어와 브레이크 마모가 도심 내 미세먼지 농도에 미치는 영향을 파악하고자 한다.
본 연구에서는 은평구 지역에 모델 도메인을 만들고, 은평구에서 관측된 교통량 측정자료와 가장 보편적으로 사용하는 EMEP/EEA의 타이어 및 브레이크 마모 배출 배출계수를 이용하여 배출량을 산정하였다. 농도를 결정하는데 중요한 배출시 공기 유입 비율은 두 가지 케이스로 나누어 진행하였다. 첫 번째 케이스는 다수 연구에서 적용하고 있는 브레이크와 타이어 마모의 모두 공기유입비율 50%로 가정한 케이스와 최근의 연구에서 주장하고 있는 타이어와 브레이크의 마모의 공기유입비율율 각각 5%와 12%로 가정한 케이스로 나누어 모의를 진행하였다. 이렇게 산정된 배출계수는 CFD-Chem 모형에 적용하여 타이어와 브레이크 마모에서 기인한 미세먼지의 농도를 파악하였다. 모델을 검증하기 위하여 자동차의 타이어와 브레이크 마모의 핵심 성분으로 알려진 중금속 성분인 Zn, Fe, Pb, K의 농도를 산정하여 은평구 내 측정된 관측 자료와 비교하였다. 이를 위하여 모델의 타이어 및 브레이크 마모에서 기인한 미세먼지 농도에 관측을 통해 알려진 중금속 성분비를 적용하여 검증을 수행하고자 하였다. 하지만 중금속 성분비는 연구 별로 상이한 값을 보여 본 연구에서는 세 개의 잘 알려진 중금속 성분비를 각각 적용하고 이를 관측과 비교하여 모델의 검증 뿐 아니라 어느 성분비가 최적의 값인지도 도출해 보았다. 세 성분비 자료는 각각 EMEP/EEA, UBA, Jingheng et al. (2020)에서 제시한 중금속 성분비를 사용하였다.
중금속 성분비 비교 결과 대체로 공기유입비율은 타이어와 브레이크의 마모에 대해 각각 5%와 12%로 가정한 경우가 더 우수한 모의 성능을 나타냈으며, 모두 50%로 가정한 경우에는 과대 모의를 하는 것으로 분석되었다. 중금속의 비율산정의 경우 중금속 성분비는 Zn과 Pb의 경우 EMEP/EEA의 성분비를 적용한 결과가 최적의 결과로 도출되었다. Fe의 경우에는 Jinsheng et al. (2020)의 중금속 성분비를 적용한 결과가 최적이었으나 NMBE 35%로 앞서 두 개의 물질에 비해 높은 오차를 가진다. K의 경우에는 어떤 경우에도 높은 94% 이상의 NMBE를 보여 큰 차이를 보인다. 이는 K는 타이어와 브레이크 마모의 마커 외에도 재비산 먼지의 마커로써 잘 알려져 있어 타이어와 브레이크 마모의 마커로 사용하기 어렵다고 판단된다. 중금속 마커들의 크기의 경우 모의에서 유사한 크기가 나타났지만, 상관성의 측면에서는 낮은 결과를 보였다. 이는 일반적으로 비-배기성 배출에 기인한 미세먼지는 주행속도를 고려한 마찰계수가 중요하다고 알려져 있는데 본 연구에서는 마찰계수를 고려하지 않았기 때문에 이에 추가적인 연구가 필요하다고 생각된다.
모델 결과 도메인 내 미세먼지의 시간별 공기 분포를 볼 때 타이어와 브레이크에서 기인한 미세먼지는 새벽에 낮고 활동시간에 증가하는 교통량 형태와 비슷하다. 모델 결과 도메인 내의 일 평균 미세먼지 농도는 2.33㎍/㎥, 일 최고 9.16㎍/㎥이다. 같은 날 서울시 은평구 불광동의 미세먼지 측정값은 하루평균 11.9㎍/㎥이며, 이와 비교해 브레이크와 타이어 마모에서 기인한 미세먼지는 약 20%에 해당하며 중요 요소임을 알 수 있다. 따라서 상세규모 대기화학 모델링에서 타이어와 브레이크 마모에 의한 배출은 반드시 고려되어야 한다.

Despite continuous efforts to reduce anthropogenic emissions, cases of high PM2.5 episodes are still frequent in urban areas. Vehicular emissions are known to contribute a significant fraction of PM10 in urban areas. Previous studies of vehicular PM10 mostly have focused on pollutants emitted from exhaust gas because of absolute contribution of pollutants emitted from exhaust gas. However, as the vehicular emissions from exhaust gas have reduced following tightened regulations of vehicular emission, contribution of non-exhaust emissions are relatively increased. Therefore, interest of PM10 from non-exhaust emissions also have been increased. Research of non-exhaust emissions have mainly focused on fugitive dust and road wear. As known that there is a large amount of PM10 emitted from tire and brake wear, studies of physicochemical properties and emission factor of tire and brake wear are increasing. However, studies concentrate calculation of emission and there is no studies to calculate PM10 contribution of tire and brake wear using model simulation. Therefore, this study examine the impact of tires and brake wear on the concentration of PM10 in the city by using observation of traffic volume, PM10, and trace metals in downtown Seoul and simulation of fine scale chemical transport model.
A model domain was set in Eunpyeong-gu, and emissions is calculated using observed the traffic volume measurement data in Eunpyeong-gu and the tire and brake wear emission factor of EMEP/EEA, which is most commonly used. The air borne ratios, which is key factor for determining the PM10 concentration, are assumed into two cases. The first case is both air borne ratios for brake and tire wear applied as 50%, which is most studies were assumed, and second case, which is newly observed in a few studies, is air borne ratios for brake and tire wear are assumed as 5% and 12%, respectively.
The concentration of PM2.5 originating from tire and brake wear is calculated using the CFD-Chem model and calculated emission factors. The model was evaluated by comparison against observed concentrations of Zn, Fe, Pb, and K in Eunpyeong-gu, which are heavy metal components known as key components of tires and brake wear. To transform PM concentration into heavy metal tracer concentrations in the model, the observed heavy metal ratio of tires and brake wear is conducted. However, as the observed heavy metal ratio has large discrepancies in existing studies, three well-known heavy metal ratios were applied and compared with observations in this study. This comparison could not only evaluate the model but also identify best ratio. Three observed ratios are data from EMEP/EEA, UBA, and Jinghengg et al. (2020), respectively.
Comparison between observed and simulated heavy metal concentrations shows that the model generally has better performance when assuming air-borne proportions of tires and brake wear as 5% and 12%, respectively. When heavy metal ratio of EMEP/EEA is applied, simulated Zn and Pb concentrations shows optimal results. Heavy metal ratio of Jinsheng et al. (2020) is best for Fe concentration; however, NMBE is 35%, which is higher than the Zn and Pb tracer. Simulated K has a large error, showing NMBE of 94% or more. This result suggests that K cannot be used as a marker for tire and brake wear in ambient condition because K is also well known as a marker for fugitive dust. Simulation captures observed magnitudes of heavy metal markers concentrations; however, correlation is low. It is known that driving speed is important for the coefficient of friction, which can affect non-exhaust emissions. However, this study did not consider the driving speed, and analyses considering driving speed are needed in future studies.
Simulated PM10 caused by tires and brakes has diurnal variation with traffic volume, showing decrease at dawn and increase during daytime. The average PM2.5 concentration caused by tires and brakes is 2.33 μg m-3 in the domain, and the maximum daily concentration is 9.16 μg m-3. On the same day, the observed average PM10 concentration in Bulgwang-dong, Eunpyeong-gu, is 11.9 μg m-3. These results suggest that contribution of PM10 from brake and tire wear accounts for about 20% and is an important factor for urban PM10 air quality. Therefore, tire and brake wear PM10 should be considered in micro-scale atmospheric chemistry modeling.