겨울철 서울 도심 이산화탄소와 대기오염 물질간의 상관성 분석

Abstract

도시에서 이산화탄소와 대기오염물질은 자동차, 건물의 난방 등의 화석 연료 연소에 의해 함께 발생되기 때문에, 이산화탄소 관측을 통해 도시의 대기질 특성을 이해할 수 있다. 하지만 도시에서 온실가스와 대기오염물질의 관련성을 이해하는 것은 여전히 제한적이다. 본 연구는 자동차를 이용한 이동 관측과 고층빌딩에서 측정한 고정 관측을 이용하여 2018년 12월부터 2019년 2월까지의 겨울 기간 동안 서울 도심 이산화탄소(CO2), 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx)의 농도 변화, 물질 간 상관성 및 비율을 분석하였다. 다른 곳에서 이동해 왔거나 대기에 축적된 농도를 제거하기 위하여 도시의 배출원으로 인해 증가된 농도인 도시 초과 농도 값(△오염물질)을 사용하였다. 이동 관측 분석 결과, 교통량이 많은 교차로에서 △CO2와 △NOx 값의 상관성이 높았고(r2>0.7, p<0.001), 차량 통행이 원활하여 차량의 속도가 빠른 구간에서 두 기체 간 비율 값이 높았다(△NOx:△CO2>8 ppb ppm-1, p<0.001). 이는 하층 대기질의 주요 요인은 차량이며, 통행 대수와 차량 속도에 따라 배출 특성이 변한다는 것을 의미한다. 고정 관측의 선행-지연 상관관계 분석에서는 이산화탄소에 대해 일산화탄소(r=0.753, p<0.001)와 이산화질소(r=0.525, p<0.001) 모두 동 시간일 때 최대 상관성을 보였고, 시간이 선행되거나 지연될수록 상관성이 작아지는 경향을 보였다. 이는 이산화탄소, 일산화탄소, 이산화질소가 같은 배출원에서 동시에 배출되었다는 것을 의미한다. 시간대에 따른 △CO:△CO2와 △NO2:△CO2는 아침(각각 4.776, 0.165 ppb ppm-1)보다 저녁 시간대(각각 8.428, 0.538 ppb ppm-1)에 높았고, 그 차이는 이산화질소가 컸다. 이것은 이산화질소의 농도 변화가 배출원뿐만 아니라 복잡한 물리화학반응, 기상 요소에 의해 크게 영향을 받았기 때문으로 생각된다. 서울의 △CO:△CO2와 △NOx:△CO2 값을 대도시를 대상으로 분석한 선행연구에서의 결과 값과 비교했을 때, 이산화탄소에 대한 대기오염물질의 비율은 자동차의 기술 발전과 경유 차량의 비율에 따라 차이가 나는 것을 확인하였다. 본 연구 결과는 현재 서울에서 관측하는 이산화탄소 농도 정보를 대기오염물질과 함께 분석함으로써 서울의 대기오염물질 특성 및 도시 대기에 가장 큰 영향을 주는 배출원을 파악하는 데 효율적이라는 것을 시사한다.

Since carbon dioxide (CO2) and air pollutants in cities could mainly be originated together by fossil fuel combustion such as vehicles and heating, monitoring of urban CO2 has the potential of better understanding air quality. However, our knowledge on how greenhouse gases and air pollutants are related in city is still limited. In this study, we analyzed the concentration changes, correlation, and ratio of CO2 and air pollutants including carbon monoxide (CO) and nitrogen oxide (NOx) conducting both mobile measurement using vehicle and stationary measurement located in the high building in the central area of Seoul, Korea during the winter of 2018-2019. We used local enhancement (△species) which is the increased concentration by urban emission sources to separate the concentration which has stayed for a long time in the atmosphere or moved from elsewhere. For mobile measurement analysis, the areas which had large correlations between △CO2 and △NOx (r2>0.7, p<0.001) were vehicle-crowded intersections, while grids with high concentration ratios of △CO2 and △NOx (△NOx:△CO2>8 ppb ppm-1, p<0.001) were areas where speed of vehicles was high. This means that the main factor of roadside air quality is vehicles and emission characteristics change according to the number and the speed of vehicles. For stationary measurement analysis, the lead-lag correlation analysis showed that △CO (r=0.753, p<0.001) and △NO2 (r=0.525, p<0.001) were both simultaneously correlated to △CO2, indicating that CO2, CO, and NO2 were co-emitted by same emission sources. The ratios of △CO and △NO2 to △CO2 were higher in the evening (8.428 and 0.538 ppb ppm-1, respectively) than in the morning (4.776 and 0.165 ppb ppm-1, respectively), and the difference of ratios was larger for △NO2. This is because that the concentration variation of NO2 was affected by emission sources, complex physicochemical reactions and meteorological factors. Compared ratios of this study with the previous studies, the ratios of △air pollutants to △CO2 were related with vehicle technology development and the share of diesel vehicles. The results of this study suggest that analyzing monitored CO2 with air pollutants can be an effective way to identify the characteristics of air quality and major emission sources that characterize the atmosphere of Seoul.