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ISSN : 1229-3431(Print)
ISSN : 2287-3341(Online)
Journal of the Korean Society of Marine Environment and Safety Vol.27 No.6 pp.721-730
DOI : https://doi.org/10.7837/kosomes.2021.27.6.721

Dispersion of Maritime Air Pollutants from Harbor Area into Major Port Cities Considering Characteristics of Local Wind Circulation in Korea

Yongbum Kwon*, Inhee Cho**
*Researcher, Korea-Russia Innovation Center, Korea Institute of Industrial Technology, Incheon 22004, Korea
**Senior Researcher, Korea-Russia Innovation Center, Korea Institute of Industrial Technology, Incheon 22004, Korea
*

First Author : kyb916@kitech.re.kr, 032-458-5797


Corresponding Author : cdcih@kitech.re.kr, 032-458-5493
August 13, 2021 September 14, 2021 October 28, 2021

Abstract


Maritime air pollutants around port cities have gained a great deal of attention due to their direct impacts on regional air quality. This study aims to determine the geographical properties of sea/land breezes in different areas to discover overall ranges of maritime emission dispersion. The HOTMAC-RAPTAD modeling program was used to simulate regional-scale air dispersion considering non-linear and unsteady states during the general summer period for the target areas of the Yellow Sea (Incheon Port and Pyeongtaek·Dangjin Ports), archipelago region (Mokpo Port), South and East Sea (Busan and Masan Ports) and East Sea with mountainous area (Donghae·Mukho Ports). The resulting dispersion lengths of vessel emissions into the onshore regions around the target ports shed light on portal air quality management, because vessel emissions from the Incheon, Mokpo, Busan, and Donghae·Mukho ports were transported 27–31km (Western Seoul), 21–24km (Southern Muan), 20–26km (Gimhae and Yangsan), and 22–25km (Taebeak Mountains), respectively. Therefore, the results of this study provide useful data for regional air quality management and marine air pollution mitigation to improve the sustainability of port cities.



지역 순환풍 발생 특성 이해를 통한 국내 주요항만 발생 대기오염물질의 항구도시 영향 범위 분석
-여름철 해륙풍 모사를 중심으로-

권 용범*, 조 인희**
*한국생산기술연구원 한러혁신센터 연구원
**한국생산기술연구원 한러혁신센터 선임연구원

초록


본 연구에서는 국내 서로 다른 지리적 특성을 갖는 지역에서 발생되는 해륙풍에 의한 항만 내 선박 대기오염물질의 항구도시 확산 범위를 규명하고자 하였다. 연구 대상 지역은 서해안(인천항 및 평택·당진항), 다도해 지역(목포항), 남해 및 동해(부산항 및 마산항), 동해 산간 지역(동해·묵호항)으로 선정하였다. 해륙풍 발생과 그로 인한 항만 내 선박에서 기인하는 대기오염물질의 확산 모사를 위하여 비선형(Non-linear) 및 비정상(Unsteady) 거동의 국지 순환풍 모사가 가능한 HOTMAC-RAPTAD 프로그램을 활용하였으며, 모사 기간은 전형 적인 여름 날씨인 7월 중순으로 하였다. 그 결과, 해륙풍의 발생 특성과 항만에서 발생되는 대기오염물질의 주변 지역 확산 거동이 지역 마다 서로 다르게 나타났는데 연구 대상 항만인 인천항, 목포항, 부산항, 동해·묵호항에서 배출되는 대기오염물질은 항구로부터 각각 27~31km(서울 서쪽 일부 지역), 21~24km(무안 남부), 20~26km(김해 및 양산 인근), 22~25km(태백산맥 능선 지역)까지 영향을 끼치는 것으로 분석되었다. 따라서 본 연구에서 도출된 결과는 향후 효과적인 항만 지역 대기질과 선박 대기오염물질 관리에 있어 매우 중요한 기초 수 단으로 활용 가능할 것으로 기대된다.



    1. 서 론

    국내 고농도 대기오염물질 사례의 빈번한 발생과 이에 따 른 인체 유해 문제의 대중 인식이 증가함에 따라 효과적인 대기질 관리 방안의 필요성이 주목받고 있다(Lee et al., 2021). 우리나라에서는 일산화탄소(CO), 황산화물(SO2), 질소 산화물(NOx), 미세먼지(PM10) 및 초미세먼지(PM2.5), 휘발성유 기화합물(VOCs) 등을 주요 대기오염물질로 지정하여 관리 하고 있으며, 이러한 대기오염물질은 건강과 기후 대기환경 에 부정적인 영향을 미치는 것으로 널리 알려져 있다(Kampa and Castanas, 2008;Gurjar et al., 2010;Kwon et al., 2018). 최근 연구에 따르면 정부의 지속적인 관리와 감축 노력으로 국내 대기오염물질 배출량은 전반적으로 점차 감소되고 있으나, 대기 중 오염물질의 고농도 사례 발생 빈도는 증가하고 있 는 추세이다(Kim and Lee, 2018;Yeo and Kim, 2019). 이는 더 나은 대기질 실현을 위하여 배출량 저감 정책 시행, 주요 배 출원의 관리 강화 등 거시적인 노력의 성과와 함께 지역적 차원에서의 대기질 관리 수단 마련으로 더욱 세밀하고 고도 화된 대기 관리의 필요성도 함께 내포한다고 볼 수 있다.

    2017 국가 대기오염물질 배출량(환경부 국가미세먼지정 보센터)에 따르면, 발전소 및 제철소 등 대형 사업장이 밀 집된 전남, 충남, 경북에서는 연료 사용량 감소와 배출 관리 강화로 대기오염물질이 2016년 대비 감소하였지만, 인천시 의 경우 선박 등 비도로오염원 활동의 증가로 대기오염물질 배출량이 전년 대비 증가한 것으로 보고된다. 또한 부산시 의 경우 2017년 선박으로부터 기인하는 황산화물질과 초미 세먼지, 질소산화물의 발생이 부산시 전체 배출량의 각각 66.9 %, 37.7 %, 36.8 %를 차지할 정도로 비교적 높게 나타난 바 있다. 이러한 추세는 국내 주요 항구를 중심으로 진행되 고 있는 선박 대기오염물질의 지역 대기질 영향(Pokhrel and Lee, 2015;Lee and Lee, 2018), 선박 배출량 산정의 고도화 (Chang et al., 2014;Kwon et al., 2019), 선박 대기오염물질의 체계적 관리(Lee and Lee, 2019;Lee et al., 2020) 등 항구도시 대기질 향상과 지역 주민의 건강 증진을 위한 다양한 연구 와도 관련이 깊다. 이처럼 최근 항구도시에서는 선박에서 기인하는 막대한 양의 대기오염물질에 높은 우려를 나타내 고 있어 그동안 중점적으로 추진되어 왔던 산업단지나 도로 이동오염원에서 발생되는 대기오염물질 관리 강화와 마찬 가지로 해안지역에서의 대기질 관리를 위한 다양한 노력의 필요성이 분명한 것은 사실이다.

    항구도시의 경우 해안지역이 갖는 지리적 특성 때문에 대 기오염 확산 원리와 효과적 대기관리를 고려할 때 국지적으 로 나타나는 자연적 현상에 대한 이해가 필수적이다(Pokhrel and Lee, 2011;Park and Chae, 2018). 바다와 육지가 접하고 있 는 해안선을 경계로 각 영역이 나타내는 서로 다른 물리적 특성, 즉 비열 차이에서 기인한 해륙풍의 영향 때문이다. 해 안지역에서의 해륙풍은 선박에서 발생되는 대기오염물질을 이동 및 확산시키는데 주된 역할을 하며, 이와 동시에 해륙 풍의 영향이 상대적으로 적게 미치는 내륙에서의 대기오염 확산과 다른 특성을 나타나게 한다. 그렇기에 효과적인 항 구도시 대기질 관리를 위해서는 배출량 산정의 고도화, 선 박 배출 저감 노력 등과 더불어 해안지역에서의 지역적 특 성에 따른 해륙풍의 대기오염 확산 영향 분석은 무엇보다 중요하다. 우리나라는 삼면이 바다로 둘러싸여 있는 지리적 이점으로 인하여 연안을 따라 크고 작은 항만이 위치하고 있다. 더욱이 지역별로 산맥이나 평야, 다도해(多島海) 등 서 로 다른 지형적 특징을 지니고 있는 경우에는 해륙풍 형성 구조에 따라 항만 주변에서 배출되는 대기오염물질의 확산 형태 또한 다양하다(Zhou et al., 2006). 때문에 해안 지역 대 기 확산 모사를 위해서는 선형 해석이 아닌 해륙풍을 포함 한 국지적 대기 이동 특성을 고려할 수 있는 수단의 적용이 권장된다(Jiang et al., 2000;Liu et al., 2002).

    본 연구에서는 지리적 분포가 서로 다른 국내 주요 항만을 중심으로 해륙풍의 발생 특성을 분석하고 항만에서 발생되는 대기오염물질의 인접 도시 확산 범위를 규명하고자 하였다. 그동안 해안지역을 중심으로 대기오염 확산을 모사하여 분석 하고자 하는 연구가 진행되었으나, 앞서 짚어본 해륙풍 영향 등 국지적 대기 이동 현상을 고려한 경우는 매우 제한적이었 다. 따라서, 본 연구를 통하여 해안 지역에서의 대기 확산 특 성을 이해하고, 연구 결과에서 시사하는 바를 항구도시의 지 역 대기질 관리에 적극 활용할 수 있을 것으로 기대한다.

    2. 연구 방법

    2.1 연구 대상 지역

    본 연구는 지리적 특성이 서로 다른 국내 해안지역의 해 륙풍 발생 특성을 이해하고 해당 지역 주요항만에서 발생되 는 대기오염물질의 인접 도시 영향 범위를 분석하고자 1) 서 해안(인천항 및 평택·당진항), 2) 다도해(목포항), 3)동해 및 남해안(부산항 및 마산항), 4) 동해산간(동해·묵호항)을 연구 대상지역으로 선정하였다. 서로 다른 지형·지리적 특성을 지 닌 국내 해안 도시(주요 항만)이 포함된 동서 140 km, 남북 100 km 범위의 구역을 설정하여 국지적 바람장의 변화와 해 륙풍으로 인하여 항만에서 발생되는 오염물질의 확산 범위 를 모사하였다. 해륙풍의 발생과 오염물질 확산 분석을 위 한 대기 모사는 우리나라의 전형적인 여름 날씨인 7월 중순 으로 설정하여 시간 변화에 따른 해륙풍 변화와 대기확산 추이를 살펴보고자 하였다.

    2.2 해륙풍 및 대기확산 모사방법

    해륙풍의 강도(육지 또는 바다로의 침투 거리)는 다양한 영 향 요건에 의해 결정되는데 그 지역의 물리적 특성, 바다와 육지 간 표면 온도 차이, 각 지표 간 기상 조건 등이 대표적이 다. 본 연구에서는 각기 다른 지형·지리적 특징을 가진 연구 대상 지역의 국지 순환 모사를 위하여 해당 지역의 토지 이 용, 알베도(Albedo), 표면 온도, 인공열(Anthropogenic heat), 토양 수분 함유량(Soil moisture) 등과 같은 특정 지형 정보를 고려할 수 있는 HOTMAC-RAPTAD(Higher Order Turbulence Model for Atmospheric Circulation-Random Puff Transport and Diffusion)프로그램을 활용하였다. HOTMAC-RAPTAD 프로그 램은 2차 난류 종결 방정식과 3차원 국지 모형을 기반으로 대상 지역의 대기 이동 모사가 가능한 HOTMAC과 HOTMAC 에서 산출한 대기 순환(바람장)과 라그랑지안(Lagrangian puff) 모델을 바탕으로 물질 입자(Puff)의 확산을 모사하는 RAPTAD 로 구성된다. HOTMAC-RAPTAD 프로그램은 대기 흐름의 비 선형(Non-linear) 및 비정상(Unsteady) 거동을 나타내는데 적합 하여 기존의 가우시안 모델(Gaussian plume model)이 해륙풍, 산곡풍 등 국지 순환 구현에 갖는 한계를 보완하여 지역 단 위(local scale) 대기 순환을 모사하는데 다양한 연구에서 이 미 널리 입증된 바 있다(Yamada and Bunker, 1988;Yamada, 2000;Lu et al., 2010;Pokhrel et al., 2021). 특히, 해당 프로그램 은 분석 기간 중 바람장의 변화와 물질의 이동 등을 시간별 로 3차원 시뮬레이션하여 심층적으로 분석 가능하다는 장점 을 가진다. HOTMAC-RAPTAD을 활용한 대기 모사는 1) 대상 지역의 지형 정보 입력, 2) 설정된 지역의 토지 이용 등 지형 및 기상 정보 입력, 3) 대기 흐름(바람장) 계산, 4) Puff 확산 모사의 과정을 거치게 된다. 단, Puff는 이차생성(반응)이 고 려되지 않고 대기 흐름에 따라 배출원으로부터의 확산 정도 만 표현하기 때문에 정확한 농도 분포 분석에는 한계를 갖 는다. 또한, 본 연구에서는 항만에서 배출되는 선박 기인 대 기오염물질의 해륙풍에 따른 주변 지역 확산 분석이 주목 적이므로 정확한 산정에 따른 선박 배출량 입력은 고려되 지 않았다. 연구 대상지역의 지형정보는 USGS(United States Geological Survey)에서 제공하는 USGS 30” 해상도(약 800 m) 의 자료를 활용하였다. 토지 이용 및 물리적 특성 등 지형정 보(알베도, 인공열, 토양 수분 함유량, 비열 등)는 USGS에서 제공되는 자료를 적용하였으나, 부가적으로 요구되는 습도, 기압, 지표 온도 등 기상 정보는 기상청(www.weather.go.kr) 자료를 활용하였다.

    2.3 수학적 해석에 의한 해륙풍 모사

    해륙풍 모사를 위한 수학적 해석은 이미 여러 연구에서 소 개된 바 있다(Haurwitz, 1947;Hsu, 1970;Jeong et al., 2008). 그 중 Haurwitz(1947)는 해륙풍 발생의 증명을 위하여 Fig. 1과 같 이 x축을 해안선의 수직방향으로 설정하고, 국지 대기는 해 안선에 수직하게 순환하여 x-z면을 형성한다고 가정하였다. 이를 수식으로 표현하면 식(1) 및 (2)와 같이 나타낼 수 있다.

    d u d t + k u = 1 ρ ( p x )
    (1)

    d w d t + k w = 1 ρ ( p z ) g
    (2)

    여기서, u와 w는 각각 x축 및 z축 방향에서의 속도성분 [m/s]이고, k는 상수로서 마찰력의 강도[2×10-5s], ρ는 밀도 [kg/m3], p는 압력[N/m3], g는 중력가속도[m/s2]를 의미한다. 식 (1)과 (2)를 전개하여 Haurwitz(1947), Hsu(1970) 등 선행연구자 들은 식(3)을 도출하기에 이른다.

    V ¯ = ( R L ) ln ( P 0 P 1 ) ( T a T b ) ( k 2 + w 2 ) 1
    (3)

    여기서, 는 해륙풍 지역에서의 평균 풍속[m/s], R은 기체상 수[2.87×106 erg/gK], L은 총 해륙풍 영향권의 총 길이, P0와 P1 은 각각 지표(또는 해수면)와 상공에서의 기압[mb], Ta와 Tb는 각 영역에서의 기온[℃], w 는 지구의 회전 각속도[7.29×10-5/s] 이다. 따라서, 해륙풍 영향권의 총 길이(L)은 식(4) 및 (5)와 같이 정리되며, 바다와 육지에서의 해륙풍 침투 길이의 합 이 L이므로 육지에서 해풍의 영향 범위는 L/2가 된다.

    L = ( g h T m V ) ( T a T b ) k ( k 2 + w 2 ) 1
    (4)

    L = 0.3429 × 10 5 h T m V ¯ ( T a T b )
    (5)

    여기서, h는 상공에서의 높이[km], Tm은 지표면과 혼합고 에서의 평균 기온[℃]을 의미한다.

    3. 결과 및 고찰

    3.1 국내 해륙풍 발생 특성

    선박 기인 대기오염물질의 해륙풍 영향 범위를 도출하기 위하여 먼저 연구 대상 지역의 국지 순환풍 발생 특성을 살 펴보고자 하였다. Fig. 2 ~ 5는 각각 본 연구에서 선정한 1) 서 해안(인천항 및 평택·당진항), 2) 다도해(목포항), 3)동해 및 남해안(부산항 및 마산항), 4) 동해산간(동해·묵호항) 지역에 서의 시간대별 해륙풍 발생과 육지 및 바다의 표면 온도 (10m 상공)를 나타내고 있다. 본 연구 대상 기간인 7월 중순 HOTMAC의 대기 흐름 모사 결과에 따르면 새벽 시간 동안 해수면보다 낮은 지표 온도로 인하여 육풍이 발달하며, 일 출 직전인 오전 5 ~ 6시경 육풍의 세기는 최대를 보인다(Fig. 2 ~ 5(a)). 일출 이후 바다보다 작은 육지의 비열로 인하여 지 표면의 온도는 해수면의 온도보다 가파르게 증가하는데(Fig. 2 ~ 5(b)), 이때 육풍의 강도가 약해지면서 바다와 육지의 비 교적 적은 온도 차이로 인하여 결국 해풍과 육풍 모두 발달 하기 어려운 조건(Neutral condition)이 성립된다. 낮시간 대로 접어들면서 지표의 온도는 계속해서 높아지게 되며, 오전 11 시~ 오후 12시경부터 서서히 해풍이 발달하기에 이른다(Fig. 2 ~ 5(c)). 오후 2 ~ 3시에는 육지와 바다의 온도차가 커지면서 해풍의 강도가 최대로 형성된다. 지역별로 다양한 지형적 특징으로 인하여 풍속에는 다소 차이가 있었으나, 해풍의 지속 시간은 오후 21 ~ 22시까지 계속되었다.

    육풍의 경우 인천, 평택·당진항 지역(1.8 ~ 2.7 m/s)보다 산 맥이 발달한 지역에 위치한 목포항(2.8 ~ 4.2 m/s), 부산항 및 마산항(3.4 ~ 5.7 m/s), 동해·묵호항(3.6 ~ 4.3 m/s) 인근에서 비교 적 강하게 발달 되었으며, 특히 동해 및 남해 지역과 강원 산간 지역에서는 각각 큰 규모의 산맥과 해안선 간의 거리 가 가까워 산곡풍의 영향도 직접적으로 받는 것으로 판단된 다. 이는 Moon et al.(1990)에서 보고하고 있는 바와 같이 산 간 지역에서 산의 고도가 높을수록 산의 분포(개수)가 많을 수록 해륙풍에 대한 영향이 증가한다는 결론과 일치한다. 해풍이 가장 잘 발달하는 2 ~ 3시경 연구 대상지역에서의 해 풍은 지역에 따라 발달하는 양상이 다르게 나타냈다. 서해안 (인천항 및 평택·당진항)지역의 경우 2.5 ~ 3.2 m/s로 육풍보다 강하게 발달하였지만, 다도해(목포항), 동해 및 남해안(부산 항 및 마산항) 지역에서는 각각 1.4 ~ 2.4 m/s와 2.4 ~ 3.4 m/s로 육풍보다 미미한 것으로 나타났다. 반면 동해 산간 지역에 서는 3.1 ~ 3.9 m/s로 육풍의 강도와 큰 차이는 보이지 않았다.

    연구 대상 지역 전반적으로 육풍의 영향 시간보다 해풍의 영향 시간이 비교적 길게 나타났다. 또한, 서해 및 남해에 비 하여 해수의 온도가 낮게 나타난 동해 지역의 경우 다른 지 역보다 상대적으로 더 큰 육지와 바다의 기온편차로 인하여 해풍과 육풍 모두 발달이 용이한 환경이 조성되는 특징을 보 였다. 특히, 다도해 지역은 바다 지역의 크고 작은 섬의 영향 으로 일반적인 해안지역보다 대류가 활발하게 관찰되었다.

    Fig. 6에서 나타내는 바와 같이 섬이나 산맥의 영향이 적 은 해안에서는 육풍과 해풍이 내륙 안쪽 지역 혹은 먼 바다 로 부터 연속되어 발생되는 반면, 다도해 지역에서는 해륙 풍의 지속 경로에 크고 작은 섬이 위치하여 대기의 수직한 유동이 빈번하게 발생 된다. 이는 결국 해풍과 육풍 지속 모 멘텀에도 영향을 끼칠 것으로 판단된다.

    3.2 항만 내 선박 대기오염물질 확산 모사 특성

    HOTMAC에서 도출된 국지 순환풍 자료를 활용하여 본 연 구 대상 지역의 주요 항만에서 배출되는 대기오염물질 영향 범위를 규명하고자 RAPTAD 기반 대기 입자 모형(Puff)의 확 산 모사를 수행하였다. 그 결과 Fig. 7과 같이 (a) 서해안, (b) 다도해 지역, (c) 남해 및 동해, (d) 동해 산간 지역에 위치한 주요 항구((a) 인천항 및 평택·당진항, (b) 목포항, (c) 부산항 및 마산항, (d) 동해·묵호항)에서 육풍과 해풍 강도가 각각 가장 강하게 나타나는 오전 6시경 및 오후 3시경의 확산 범 위를 도출할 수 있었다. 각 그림에서 나타내는 입자 모형의 색은 오염물질이 배출원으로부터 발생된 이후 대기 중 부유 시간(Hour)을 의미한다. 반면 오염물질 입자 모형의 크기는 지면으로부터의 높이를 나타내며, 지표에서 멀어질수록 입 자 모형(Puff)의 크기는 증가한다.

    먼저 육풍이 가장 강하게 나타나는 오전 6시의 연구 대상 지역별 침투 거리를 살펴보면 (a) 서해안, (b) 다도해 지역, (c) 남해 및 동해, (d) 동해 산간 지역에서 각각 11 ~ 13 km, 8.5 ~ 10 km, 16 ~ 23 km, 10 ~ 12 km로 나타났다. 특히, 다도해 지 역에서의 육풍으로 인한 대기오염물질 이동 거리가 남해 및 동해, 동해 산간 지역에서의 이동 거리보다 다소 짧게 나타 났는데 이는 동해바다의 해수면 온도보다 남해바다의 해수 면 온도가 비교적 높고, 크고 작은 섬의 영향으로 판단된다. 해풍이 가장 잘 발달하는 오후 3시경 지역별 대기오염물질 의 침투 거리는 (a) 서해안, (b) 다도해 지역, (c) 남해 및 동해, (d) 동해 산간 지역에서 각각 27 ~ 31 km, 21 ~ 24 km, 20 ~ 26 km, 22 ~ 25 km로 육풍으로 인한 오염물질의 침투 거리보다 길게 나타났다. 남해 및 동해 그리고 동해 산간 지역에서는 동해 바다의 낮은 표면 온도와 동해 먼 바다에서 육지 방향으로 불어 들어오는 대기 이동의 모멘텀으로 인하여 해풍이 잘 발달됨에도 불구하고 내륙의 높은 산맥의 영향으로 대기오 염물질이 특정 범위 이상 확산되지 못하는 특징을 보였다.

    특히, 선행 연구에서는 도시 열섬(UHI, Urban heat island) 현상의 해륙풍 영향에 주목하기도 하였다(Kim and Baik, 2004;Wong and Yu, 2005). 콘크리트, 시멘트 등으로 둘러싸 인 도시의 표면 온도가 그렇지 않은 지역(교외 및 농촌 지역 등) 보다 낮 시간 동안 표면 온도가 급격하게 상승하고 해가 진 야간에도 콘크리트 및 시멘트가 낮에 받은 열을 머금고 있어(혹은 서서히 방출하고 있어) 주변 지역보다 온도가 현 저하게 높은 도시 열섬 현상이 발생되기 때문이다. 결국 해 안지역에서 도시 열섬 현상이 발생되는 경우 육풍은 약하 게, 반면 해풍은 더욱 강하게 발생되는 특성을 보이게 된다. 이러한 이유로 인천 지역의 경우 수도권에서 발생되는 도시 열섬 현상으로 인하여 육풍과 해풍으로 인한 오염물질의 침 투 거리 차이가 16 ~ 18 km로 비교적 크게 나타났다. 이처럼 각 지역별 주요 항만으로부터 배출되는 오염물질이 육풍 및 해풍의 영향을 받아 풍하 방향으로 확산하는 침투 거리는 Table 1에서 정리하는 바와 같다.

    3.3 항만지역 대기오염물질 확산 모사의 수학적 해석 비교

    HOTMAC-RAPTAD 프로그램을 활용하여 연구 대상 지역 의 해륙풍 형성 특성을 구현하고, 지역별 국지풍에 의하여 주요 항만에서 배출되는 대기오염물질이 확산되는 추이를 모사하여 Table 1과 같은 결과를 얻을 수 있었다. 해풍이 가 장 잘 발달하는 오후 3시경 대상 항만 지역에서 발생되는 대기오염물질의 내륙 침투 범위를 살펴보면 (a) 서해안, (b) 다도해 지역, (c) 남해 및 동해, (d) 동해 산간 지역에서 각각 27 ~ 31 km, 21 ~ 24 km, 20 ~ 26 km, 22 ~ 25 km 범위로 나타났다. 모사된 대기오염물질 확산 범위 검증을 위하여 앞에서 소개 된 해륙풍 수치해석 방법을 통해 침투 거리를 계산하고자 하였다. 식 5를 활용하고자 본 연구의 대상 지역별 주요 항 만(인천항, 목포항, 동해항, 부산항)에서의 풍속 등 기상 인 자와 항만 주변 지역의 육지 및 바다 표면 온도를 Table 2와 같이 정리하였다. 그 결과 (a) 서해안, (b) 다도해 지역, (c) 남 해 및 동해, (d) 동해 산간 지역의 인천항, 목포항, 동해항, 부 산항에서 해풍이 가장 잘 발달하는 오후 3시경 육지로 침투 거리는 각각 29.34 km, 23.51 km, 23.98 km, 23.43 km로 산정되 었다. 이는 본 연구의 (a) 서해안, (b) 다도해 지역, (c) 남해 및 동해, (d) 동해 산간 지역에서 모사된 대기오염물질 확산 범위에도 부합하였다. 결국 본 연구 대상 지역의 주요 항만 인 인천항, 목포항, 동해항, 부산항에서 배출되는 선박 대기 오염물질은 지역 해풍에 의하여 서울 서쪽 일부 지역, 무안 남부, 김해 및 양산 일부, 태백산맥 일부 지역까지 확산 가 능하다고 볼 수 있다.

    본 연구에서 도출된 결과를 타 연구와도 비교해보았다. 먼저, CALPUFF모의를 통하여 연안 발생 대기오염물질의 인 천 지역 확산을 분석한 Kim et al.(2017)의 결과에서는 오후 3 시경 내륙 방향으로 26 km 이상 영향을 주는 것으로 보고하 고 있다. 또한, 부산 연안 지역에서 발생되는 선박대기오염 물질의 확산 패턴을 분석한 Lee et al.(1999)의 결과에 따르면 오염물질의 내륙 확산 범위는 대략 21 ~ 26 km를 나타내고 있 다. 이 밖에 다른 지역에서의 연구 결과는 희박하였으나, 전 반적으로 본 연구 결과와 맥락을 같이 하고 있음이 확인되 었다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 국내 서로 다른 지역적 특색을 갖는 (a) 서 해안, (b) 다도해 지역, (c) 남해 및 동해, (d) 동해 산간 지역 의 해륙풍 발생 특성 분석을 통하여 각 지역에 위치한 주요 항만((a) 인천항 및 평택·당진항, (b) 목포항, (c) 부산항 및 마 산항, (d) 동해·묵호항)에서 배출되는 선박 기인 대기오염물 질의 확산 영향 범위를 도출하고자 하였다. 해안지역은 바 다와 육지 간 비열차이의 직·간접적인 영향으로 해륙풍과 같은 국지 대기순환이 발생되기 때문에 본 연구에서는 비 열, 지표 온도, 지형정보, 토지 이용 정보 등을 고려하여 대 기 흐름의 비선형(Non-linear) 및 비정상(Unsteady) 거동을 나 타낼 수 있는 HOTMAC-RAPTAD 프로그램을 활용하였다.

    육풍이 가장 잘 발달하는 오전 6시경 인천항, 평택·당진항 지역(1.8 ~ 2.7 m/s)보다 산맥 인근에 위치한 목포항(2.8 ~ 4.2 m/s), 부산항 및 마산항(3.4 ~ 5.7 m/s), 동해·묵호항(3.6 ~ 4.3 m/s) 인 근에서 비교적 강하게 나타났다. 다도해, 동해 및 남해안에 서의 해풍은 오후 3시경 목포항 1.4 ~ 2.4 m/s, 부산항 및 마산 항 2.4 ~ 3.4 m/s로 육풍보다 다소 약하게 발달하였으며, 동해 산간지역(동해·묵호항)에서의 해풍은 3.1 ~ 3.9 m/s로 육풍의 강도와 큰 차이는 보이지 않았다. 반면, 서해안(인천항 및 평 택·당진항)에서 해풍은 2.5 ~ 3.2 m/s로 육풍보다 강하게 발달 하였다. 이는 연구 대상지역 별 지니는 산맥의 규모와 분포, 해안선 형태 및 크고 작은 섬의 분포, 도시 열섬 현상 영향 등 지리적·지형적 특징으로 인하여 다르게 나타나는 것으로 판단된다. 이러한 이유로 지역별 주요 항만에서 발생되는 대기오염물질의 인근 지역 확산 범위도 다르게 나타나는데, 이는 서해안 27 ~ 31 km, 다도해 지역 21 ~ 24 km, 남해 및 동해 20 ~ 26 km, 동해 산간지역 22 ~ 25 km로 이는 각각 서울 서쪽 일부 지역, 무안 남부, 김해 및 양산 일부, 태백산맥 능선 지 역까지 영향 가능한 정도이다.

    본 연구에서는 국내 다양한 지역적 특색을 갖는 지역에 위치한 주요 항만에서 배출되는 대기오염물질의 지역 확산 범위가 해당 지역이 갖는 다양한 특성으로 인하여 서로 다 르게 나타남을 증명하였다. 따라서 연구 결론에서 시사하는 바가 향후 항구도시 맞춤형 지역 대기 관리 및 개선에 많은 도움이 될 것이라는 면에서 더욱 의미가 있다. 다만, 본 연 구에서는 일반적 여름 날씨인 7월의 경우를 분석하였기 때 문에 향후 중·장기적 및 계절별 분석이 필요할 것으로 판단 된다. 또한, 실제 선박 대기오염물질 배출량 자료와 오염물 질의 거동 및 이차반응 등을 고려하여 항구도시 내 대기질 농도 기여 분석은 물론, 도시 열섬현상, 선박 대기오염물질 영향에 따른 환경·경제적 분석, 인체 유해 등의 연구가 추후 필요할 것으로 보인다.

    사 사

    본 논문은 한국생산기술연구원 기관주요사업 "Add-on 모듈 탑재를 통한 지능형 뿌리공정 기술개발 (KITECH EO-21-0009)" 의 지원으로 수행한 연구입니다.

    Figure

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    Schematic diagram for sea/land breeze circulation (Modified from Haurwitz, 1947).

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    Horizontal wind vectors and surface temperature above 10 m around Yellow sea.

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    Horizontal wind vectors and surface temperature above 10 m around the archipelago area.

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    Horizontal wind vectors and surface temperature above 10 m around the Southern and East sea.

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    Horizontal wind vectors and surface temperature above 10 m around the East sea with mountain area.

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    Comparison of vertical section of the wind field in different coastal region at 6 am and 3 pm.

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    Dispersion of puffs from major ports during maximum sea and land breeze period (Main ports in the study areas(★)).

    Table

    Overall penetration lengths of air pollutants (puffs) into the study domains by maximum sea/land breeze

    Reference

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