Analysis of a visibility trend and its contributing factors in Korea for 2012-2018

Abstract

Visibility is determined by light extinctions due to gases and particles in the atmosphere as well as meteorological conditions. In particular, fine particular matters (PM) are one of important factors for affecting visibility, which is thus known to be a representative indicator of sensible air pollution. Despite of continued decreases of PM concentrations in South Korea, the public, however, perceive that PM air pollution in South Korea has worsened over the past. To understand and explain this disparity, we here use long-term hourly visibility observations at six sites in South Korea for 2012-2018 and analyze contributing factors to their variations including PM concentrations, and its chemical compositions along with meteorological conditions. We find that annual mean visibility in Seoul and Daejeon has improved by 0.7 km and 0.4 km, respectively, for the past 7 years, while Gwangju, Ulsan, Jeju, and Baengnyeong have shown its degradations by 0.7 km, 2.9 km, 0.6 km, 1.4 km for the same period. For high PM seasons, the frequency of hourly poor visibility (< 6.7 km) in Seoul, however, has increased by 11% in winter and Daejeon has also shown an increase of poor visibility frequency by 13% in spring. The frequencies of hourly poor visibility in Gwangju, Ulsan, and Baengnyeong have increased by 9%, 15%, 13%, respectively, regardless of seasons. Our analysis reveals that PM composition changes from sulfate to nitrate aerosols are a major factor for increasing hourly poor visibility frequencies in Seoul, Daejeon, and Baengnyeong, whereas meteorological conditions including relative humidity and windspeed changes are important factors for visibility degradations in Gwangju, Ulsan, and Jeju. We find that nitrate aerosols account for about 53% of visibility degradations in all regions. Increases of nitrate aerosol concentrations are driven by NOx emission changes and the reduction of sulfate aerosol concentrations, which makes additional NH3 available for ammonium nitrate production in the atmosphere.

시정은 대기의 혼탁도를 나타내는 척도로써 공기 중의 다양한 가스상 물질과 입자상 물질들의 빛 산란과 기상 조건에 의해 결정된다. 특히 체감 대기오염의 대표적인 지표로 알려진 미세먼지는 시정에 영향을 끼치는 중요한 물질 중 하나이다. 그러나 한국의 미세먼지 농도가 지속해서 감소하는 추세임에도 불구하고, 국민들은 과거보다 한국의 대기오염이 더 악화되었다고 인식하고 있다. 이러한 인식의 차이를 이해하고 설명하기 위해 2012년부터 2018년 동안 한국의 6개 지역에서 관측된 시정 자료를 사용하여, 미세먼지를 구성하는 성분 농도(질산염, 황산염, 유기 탄소, 원소 탄소)와 기상 조건(상대습도, 풍속 등)이 시정과 저시정의 빈도율 변화에 얼마나 기여하는지를 분석하였다. 서울과 대전의 연평균 시정은 지난 7년 동안 각각 0.7 km, 0.4 km씩 개선되었으며, 광주, 울산, 제주, 백령도는 각각 0.7 km, 2.9 km, 0.6 km, 1.4 km씩 감소하였다. 광주와 울산, 백령도는 계절과 관계없이 저시정 빈도율이 각각 9%, 15%, 13%씩 증가한 반면, 서울은 겨울에, 대전은 봄에 한정하여11%, 13%씩 증가하였다. 서울과 대전, 백령도의 저시정 빈도율의 증가는 미세먼지를 구성하는 주요 성분이 황산염에서 질산염으로 변화하는 것으로 설명할 수 있는데, 이에 반해 광주, 울산, 제주도의 시정 저하에는 상대습도와 풍속의 변화가 더 크게 기여하고 있음을 알아내었다. 또한, 모든 지역에서 미세먼지 성분들 중 가장 크게 시정 저하에 기여하는 물질은 질산염으로 53% 기여하고 있다. 질산염의 농도 변화는 질소산화물의 배출량 변화와 황산염 농도의 감소로 인한 대기 중의 암모니아 생성으로 설명할 수 있다.