학술논문
동아시아 지역 에어로졸 시공간 변동성과 기후-미세먼지 연관성 분석 / The Temporal and Spatial variabilities of Aerosol over East Asian and Relationship between Climate Factors and Aerosol
Document Type
Dissertation/ Thesis
Source
Subject
Language
Korean
Abstract
Long-term variabilities of Aerosol Optical Dapth(AOD) were investigated over the East Asia by applying empirical orthogonal function(EOF) analysis for the past 20 years(February 2020 to December 2020), and the characteristics of spatio-temporal variations of AOD and their association with climate factors were investigated. In this long-term analysis, as the East Asian AOD showed highest value in winter, we extracted only the wintertime(December, January, and February) AOD and performed EOF analysis over East Asia. The primary long-term EOF results showed strong monthly variability in December, over the regions primarily in the PRD(Pearl River Delta) and CC(Central China) regions of China, and in January and February in the BTH(Beijing-Tianjin-Hebei) region and the YRD(Yangtze River Delta) region. In the time series analysis, the variability of AOD was found in association with Chinese emission reduction policy; for example, AOD increased and then declined after 2013, due presumably to the Chinese emission reduction plans adopted in 2013, and a slight decrease in aerosol in December and January 2008 due probably to the result of China's emission reduction plans being executed before the Beijing Olympics.In order to associate the AOD with climate factors in this study, the correlation between the AOD principal component time series(PC1) and East Asian Winter Monsoon(EAWMI) were also calculated for each month, and the results showed strong negative associations between EAWMI in December and AOD PC1 in January, as well as between EAWMI in February and AOD PC1 in February. In the case of the autumn-early winter Sea Ice Extent(SIE) and EAWMI in the Kara-Barents area, significant negative correlations were also found between the October SIE and January EAWMI, and between December SIE and February EAWMI. Accordingly, it can be expected that the increase or decrease of the SIE in December affect the East Asian winter monsoon strength, thereby influencing East Asian aerosols. The distributions of regression coefficients between AOD PC1 and geopotential height showed a significant negative correlation in the central Siberian High, and particularly in the distribution of the regression coefficient between AOD PC1 vs. u components, more significant negative coefficient appeared over the region from eastern area of China to the Korean Peninsula. In analyzing the regression coefficient characteristics in association with season-area distributions, the coefficients between the December SIE and February meteorological factors revealed a north-south dipole pattern, and strong positive regression coefficient region appeared near 50°N-60°N in the case of the u component. This is indicating that when the SIE decreases, cold air from the Arctic descends to East Asia owing to a reduced jet stream, and accordingly it intensifies East Asian winter monsoon. Additionally, as a result of analyzing the effect of climate factors on aerosol by simulating the WRF-CMAQ (Weather Research and Forecasting -Community Multiscale Air Quality model) model using fixed emissions, under the same emission conditions, the PM2.5 tends to decrease in the period of the low SIE compared to the period of the high SIE.
본 연구에서는 위성 관측자료인 동아시아 에어로졸 광학 깊이(Aerosol Optical Depth; AOD) 자료를 경험적 직교 함수(Empirical Orthogonal Function; EOF) 분석에 적용하여 과거 20년(2020년 2월~2020년 12월) 기간 동안의 동아시아 에어로졸의 장기 변동 특성을 해석하고, AOD의 시공간 변동성과 기후 요인과의 연관성을 분석하였다. 먼저 AOD가 높은 겨울철(12월, 1월, 2월) 자료만을 추출하여 각 월별 평균 AOD에 대한 EOF 분석을 수행한 결과, 12월에는 주강 삼각주 지역과 중국 화중 지역, 1월과 2월의 경우 베이징-톈진-허베이성 지역과 장강 삼각주 지역을 포함한 중국의 동부 지역에서 강한 변동성이 나타났다. 공통적으로 각 지역은 AOD가 증가하다가 2013년 이후로 감소하는 경향을 보였으며, 이는 2013년 중국에서 시행된 대기오염물질 배출 방지 계획과 연관되는 것으로 판단하였고, 2008년 12월, 1월에 소폭의 미세먼지 감소 또한 중국의 대기오염물질 배출량 저감 정책이 베이징 올림픽 기간 전후에 시행되어 나타난 현상으로 해석하였다. AOD 주성분 시계열(PC1)과 EAWMI(East Asian Winter Monsoon Index) 간의 상관관계를 각 월별로 계산해 본 결과, 12월 EAWMI과 1월 AOD PC1 및 2월 EAWMI와 2월 AOD PC1 간의 유의한 음의 상관관계가 나왔으며, 카라-바렌츠 해역의 가을~초겨울철 해빙 지수(Sea Ice Extent, SIE)와 EAWMI의 연관성 분석에서는 10월 해빙 지수와 1월 EAWMI, 그리고 12월 해빙 지수와 2월 EAWMI 간의 음의 상관관계가 유의미하게 나타났다. 이에 따라 12월의 해빙 지수 증감이 동아시아 겨울 몬순의 강도에 영향을 주어 동아시아 에어로졸이 좌우될 수 있는 것으로 추정할 수 있었다. AOD PC1 및 해빙 지수와 기상인자와의 회귀계수분포를 분석한 결과, AOD PC1과 지위고도 간의 회귀관계에서는 시베리아 고기압 중심부에서 유의미한 음의 관계를 보였으며, 동서바람 성분 간의 회귀계수분포의 경우 음의 계수가 중국 동부 지역에 거쳐 한반도까지 나타났다. 또한 12월의 해빙 지수와 2월의 기상인자와의 회귀계수분포를 분석한 결과에서는 지위고도와 해빙 지수와의 회귀계수분포의 경우 남-북 쌍극자 패턴이 나타났고, 동서 바람 성분의 경우 50°N-60°N 부근에서 양의 회귀계수 영역을 보였으며, 이를 통해 해빙 지수가 감소하면 약화된 제트기류에 의해 북극의 차가운 공기가 동아시아로 하강하고 이로 인해 동아시아 겨울 몬순이 강화되는 것으로 해석할 수 있었다. 추가적으로 고정된 배출량(2014년 2월 평균)을 사용한 WRF-CMAQ(Weather Research and Forecasting-Community Multiscale Air Quality model) 모델 모의를 통해 기후인자가 미세먼지에 미치는 영향을 분석한 결과, 동일한 배출량 조건에서 높은 해빙 지수 기간에 비해 낮은 해빙 지수 기간에 미세먼지가 감소하는 경향을 보였다.
본 연구에서는 위성 관측자료인 동아시아 에어로졸 광학 깊이(Aerosol Optical Depth; AOD) 자료를 경험적 직교 함수(Empirical Orthogonal Function; EOF) 분석에 적용하여 과거 20년(2020년 2월~2020년 12월) 기간 동안의 동아시아 에어로졸의 장기 변동 특성을 해석하고, AOD의 시공간 변동성과 기후 요인과의 연관성을 분석하였다. 먼저 AOD가 높은 겨울철(12월, 1월, 2월) 자료만을 추출하여 각 월별 평균 AOD에 대한 EOF 분석을 수행한 결과, 12월에는 주강 삼각주 지역과 중국 화중 지역, 1월과 2월의 경우 베이징-톈진-허베이성 지역과 장강 삼각주 지역을 포함한 중국의 동부 지역에서 강한 변동성이 나타났다. 공통적으로 각 지역은 AOD가 증가하다가 2013년 이후로 감소하는 경향을 보였으며, 이는 2013년 중국에서 시행된 대기오염물질 배출 방지 계획과 연관되는 것으로 판단하였고, 2008년 12월, 1월에 소폭의 미세먼지 감소 또한 중국의 대기오염물질 배출량 저감 정책이 베이징 올림픽 기간 전후에 시행되어 나타난 현상으로 해석하였다. AOD 주성분 시계열(PC1)과 EAWMI(East Asian Winter Monsoon Index) 간의 상관관계를 각 월별로 계산해 본 결과, 12월 EAWMI과 1월 AOD PC1 및 2월 EAWMI와 2월 AOD PC1 간의 유의한 음의 상관관계가 나왔으며, 카라-바렌츠 해역의 가을~초겨울철 해빙 지수(Sea Ice Extent, SIE)와 EAWMI의 연관성 분석에서는 10월 해빙 지수와 1월 EAWMI, 그리고 12월 해빙 지수와 2월 EAWMI 간의 음의 상관관계가 유의미하게 나타났다. 이에 따라 12월의 해빙 지수 증감이 동아시아 겨울 몬순의 강도에 영향을 주어 동아시아 에어로졸이 좌우될 수 있는 것으로 추정할 수 있었다. AOD PC1 및 해빙 지수와 기상인자와의 회귀계수분포를 분석한 결과, AOD PC1과 지위고도 간의 회귀관계에서는 시베리아 고기압 중심부에서 유의미한 음의 관계를 보였으며, 동서바람 성분 간의 회귀계수분포의 경우 음의 계수가 중국 동부 지역에 거쳐 한반도까지 나타났다. 또한 12월의 해빙 지수와 2월의 기상인자와의 회귀계수분포를 분석한 결과에서는 지위고도와 해빙 지수와의 회귀계수분포의 경우 남-북 쌍극자 패턴이 나타났고, 동서 바람 성분의 경우 50°N-60°N 부근에서 양의 회귀계수 영역을 보였으며, 이를 통해 해빙 지수가 감소하면 약화된 제트기류에 의해 북극의 차가운 공기가 동아시아로 하강하고 이로 인해 동아시아 겨울 몬순이 강화되는 것으로 해석할 수 있었다. 추가적으로 고정된 배출량(2014년 2월 평균)을 사용한 WRF-CMAQ(Weather Research and Forecasting-Community Multiscale Air Quality model) 모델 모의를 통해 기후인자가 미세먼지에 미치는 영향을 분석한 결과, 동일한 배출량 조건에서 높은 해빙 지수 기간에 비해 낮은 해빙 지수 기간에 미세먼지가 감소하는 경향을 보였다.