한국형 대기질 박스모델로 지역규모 대기오염물질 농도변화 원인 진단

안녕하십니까? 방금 소개받은 국립환경과학원 대기환경연구과 박정민 과장입니다.

그럼 지금부터 한국형 대기질 박스모델 개발과 관련하여 브리핑을 시작하도록 하겠습니다.

대기질 측정값의 통계적 분석만으로 대기 현상을 다 해석할 수 없어서 대기 중의 화학 반응을 수학적으로 모사할 수 있도록 만들어 대기질 진단과 예측에 사용하고 있는 도구를 모델이라고 합니다. 가장 널리 사용하고 있는 미국 환경청에서 개발한 CMAQ과 같은 3차원 모델은 사용 시 긴 시간이 필요하고 또 동북아 규모와 같은 넓은 지역을 대상으로 배출량을 기반으로 계산하기에 도시 규모의, 국지 규모의 오염물질 특성을 빠르게 해석하는 데는 한계가 있습니다.

그래서 저희 국립환경과학원은 국지 규모의 지자체 규모에 특화된 상세대기특성에 기반한 정책을 세우는 데 필요한 모델을 2020년부터 개발해 왔습니다. 이 모델은 순천대학교, 명지대학교, 경북대학교, 경인여자대학교 연구진과 함께 개발해 왔습니다.

지역별로 미세먼지와 오존 등 오염물질이 생성되고 소멸되는 과정이 다르기에 지역의 관측 농도 기반으로 대기 중에서 생성되고 소멸되는 과정을 이해하는 것이 필요하여 개발을 시작하게 되었습니다.

이 브리핑 자료에서 보시는 거와 같이 한국형 대기질 박스모델은 Korea Air Quality observation based Box model이라고 하고, 줄여서 저희가 KAB라고 부르기로 했습니다.

그림에서 보시는 바와 같이 가로, 세로 30km, 높이 1~2km 크기 규모의 공간을 하나의 상자로 가정하고 상자를 통해서 외부에서 오염물질이 유입되고 또 유출되고 상자 아래서 배출되고 침적되는 그런 화학적으로 생성되고 소멸되는 양을 시간적으로 모사할 수 있는 모델입니다.

이미 개발되어서 활용되고 있는 다른 박스모델과 달리 오존과 같은 가스상 오염물질뿐만 아니라 미세먼지와 같은 입자성 물질의 상세한 반응 과정을 모사할 수 있다는 장점을 가지고 있습니다.

이 모델은 2020년에서 2021년까지 1단계에서는 사용자 편의성을 향상시키기 위해서 자료의 전처리부터 결과 도출까지 원 스텝으로 구동할 수 있는 인터페이스 개발과 결과의 시각화에 집중하였습니다.

2단계인 2022년부터 2024년에는 모델의 모사 정확도 향상을 위해 모델 구조와 기능을 개선하고, 정책적 활용성을 고려하여 배출량 저감 진단 기능의 구현에 집중하였습니다.

현재 모델의 초기 모형이 완성되어 공공기관, 연구소, 대학 등 모델을 활용하고자 하는 사용자와 이 모델을 공유하기 위해 오늘 오후 2시 30분 유튜브 생중계로 시연회를 개최하게 되었습니다. 시연회에서는 모델의 설치 과정, 그리고 구동 과정, 결과 해석 등 전 과정을 보여드릴 예정입니다.

아울러, 국립환경과학원과 에어코리아 누리집을 통해 모델을 직접 내려받아 사용할 수 있도록 하고 모델의 운영에 필요한 매뉴얼과 예제 자료도 같이 제공하여 사용자가 활용할 수 있도록 할 예정입니다. 그리고 오늘 시연회 영상도 계속해서 반복해서 보실 수 있도록 누리집을 통해 다시 제공할 예정입니다.

지금 공개되는 모델은 최종 개발이 완료된 것이 아니므로 사용자 의견을 지속적으로 반영하여 성능을 향상·개선시키고 대기 분야 전문가 등 국내 연구진과도 연구 결과를 공유하고 개선 방안을 도출하여 고도화할 계획입니다.

앞으로 한국형 대기질 박스모델이 지역의 대기오염에 대한 심층 이해를 원하는 연구자뿐만 아니라 정책 입안자에 의해 지속적으로 사용되어지길 바라면서 마치도록 하겠습니다.

감사합니다.


[질문·답변]
※마이크 미사용으로 확인되지 않는 내용은 별표(***)로 표기하였으니 양해 바랍니다.

<질문> 이게 제가 잘 몰라서 여쭤보는 건데 이게, 그러니까 박스모델이라는 건 일반적으로 많이 사용되는 연구 방법론으로 알고 있는데 이게 한국형 박스모델이라고 한다면 또 어떤 의미가 있는지, 이게 다른 국가에는 이런 모델이 없는데 우리가 갖게 된 건지, 아니면 한국 지형에 특화된 게 있는지 이런 점이 궁금하고요.

그리고 이게 제가 말씀하신 게 이해... 이게 초기 모델이라는 거니까 이게 더 발전할 수... 그러니까 어떻게 발전시켜 나갈지, 어떻게 연구를 하실지도 궁금하고요.

그리고 여기 자료에 보면 가로, 세로가 각각 30km 이렇게 돼 있는 것 같은데 이게 그럼 이건 2차원 모델인가요? 이게 높이는 또 없어서, 제가 잘 몰라서. 높이는 없는지 궁금합니다.

그리고 혹시 이거 모델 구동할 때 컴퓨팅 성능은 어느 정도 필요한지, 그럼 3차원 모델에 비해서 어느 정도 적게 든다는 건지, 이게 일반 연구자도 그냥 컴퓨터 하나 있으면 이게 운영이 되는 건지 그것도 설명 부탁드립니다.

<답변> 제가 답변드릴 수 있는 거는 답변을 드리고, 저희가 리눅스 버전에서 이 컴퓨터 모델이 구동되는데 그 모델의 기능치 부분은 저희 과의 연구진이, 신혜정 연구관이 말씀드리도록 하겠습니다.

우선, 한국형 대기질 박스모델이 필요한 이유에 대해서 물으셨는데 여기 브리핑 자료에서 보시는 것처럼 기존에 미국 EPA라든지 NASA, NOAA, 그리고 하버드대학교, 홍콩과기대 등의 대학에서 개발한 다양한 종류의 대기질 모델이 존재합니다.

그러나 개발된 일부는 3차원 광학모델로 모델 구동을 위해서 많은 전산 자원과 그리고 전문가 레벨의 지식이 필요하고 모사 시간이 길어서 학생들 수준의 모델을 연구하는 학생들이나 공공기관에 있는 연구진들이 그 연구에 접근하기에는 어려움들이 있습니다.

그래서 비교적 구동이 쉽게 개발된 박스모델로 미세먼지와, 지금 여기 보시면 다른 개발된 모델 같은 경우에는 미세먼지 입자성 물질에 대해서만 구동이 가능한데, 이번 저희가 개발한 모델은 오존과 같은 가스성 물질에 대해서도 구동이 가능하고, 그리고 우리나라의 대기질 상황과 관측 농도와 고농도 에피소드를 포함할 수 있기 때문에 한국의 대기질 상황을 구현할 수 있고, 또 거기에 필요한 것들을 탑재했기 때문에 저희가 한국형 대기질 박스모델이라고 명하고 또 그렇게 개발해 왔습니다.

그리고 이 모델이 개발 연도를 저희가 2025년까지를 목표 연도로 잡고 있는데요. 지금 현재 수준에서 계속적으로 미국 EPA에서도 누리집에 CMAQ이라는 모델을 표현하고 연구자들이 계속적으로 피드백을 주면서 개발시켜 나가고 있는데 저희가 개발한 이 모델도 누리집에서 피드백을 해서 연구자들이 주는 그런 개선방안들을 받아들여서 2025년까지 저희가 고도화하고 연구진들이 개선방안 반영을 적절하게 저희가 반영시켜서 고도화해 나갈 계획입니다.

일단 저희 계획은 2025년까지 이 모델을 완성시켜 가는 것으로 계획을 잡고 있습니다.

그리고 컴퓨터 버전에 대해서와 돌아가는 컴퓨터 용량에 대해서는 신혜정 연구관이 말씀드리도록 하겠습니다.

<답변> (신혜정 국립환경과학원 연구관) 안녕하십니까? 국립환경과학원 대기환경과 신혜정 연구관입니다. 말씀하셨던 전산 용량 규모에 대해서는 물리적인 크기에 대해서 절대적인 비교 값을 제가 말씀드릴 수는 없는데요.

실제 구동되는 시간을 고려했을 때 말씀하셨던 3차원 광학모델은 시간 단위의 모사 시간이 소요가 됩니다. 그러나 저희가 개발한 한국형 박스모델의 경우에는 구동되는 시간이 수분 안에 다 구동이 완료되기 때문에 전체적으로 규모가 30배, 40배 이상 차이가 난다고 보시면 될 것 같습니다. 이상입니다.

<질문> 저도 몰라서 여쭙는 건데요. 이게 지금 사이즈가 저희가 측정이 30km 가로, 세로 이렇게 공간인데 이걸 지역 규모라고 표현하신 게 기존 우리 대기질 박스모델보다 이렇게 좀 촘촘하게 좁은 지역을 이렇게 연구할 수 있다는 거, 진단할 수 있다는 의미인지, 이 30km, 가로, 세로 30km 공간이 주는 의미가 궁금합니다.

<답변> 가로, 세로 30km의 박스는 저희가 30km×30km를 한 것은 보통 서울이 30km×30km인데요. 이거는 예측을 하는 CMAQ과 같은 광학모델과 달리 우리가 충남에서 배출원 중심으로 오염물질이 농도가 상승해서 고농도를 기인한다든지 에피소드가 발생했을 때 그 원인이 되는 지역을 기반으로 해서, 그 원인이 되는 지역을 기반으로 30km, 30km 해서 그쪽에 유입되는 양과 유출되는 양, 그 안에서 생성되는 화학적인 메커니즘을 보려고 하는 거기 때문에 그 정도 규모를 해서 보는 것입니다.

<질문> 이게 그러면, 보자면 쉽게 말해서 상세하게 저희가 알 수 있다, 이렇게 이해를 해야 되는 건지 제가 그 개념을 잘 모르겠거든요.

<답변> 보통 위성에서 바라보는 분해능이 7km×7km 정도거든요. 그거에 비해서는 이 30km, 30km가 더 넓은 빔이라고 볼 수는 있지만 대기오염물질을, 보통 굴뚝에서 나오는 오염물질이 이동해 충남에서 화력발전소에서 나온 배출이 서울까지 영향을 미친다는 것을 고려한다면 30km×30km 정도는 돼야 지역에서 유입되는 것과 유출되는 그 안에서 일어나는 메커니즘에 대해서 해석할 수 있다고 생각해서 대부분이 박스모델이 30km, 30km를 보고 있습니다.

<질문> 죄송한데 아까 여쭤본 것 중에 제가 잘 몰라서, 박스라고 하니까 일반 독자들은 3차원 박스를, 상자를 생각하거든요. 그러면 가로, 세로뿐만 아니라 높이에 대해서도 궁금할 것 같은데 이게 높이는 따로 뭐 없나요?

<답변> 높이는 저희가 여기 그림을 그려 놓고 위에 1~2km라고 했는데요. 왜 그게 보통 1~2km가 대기 화학 반응 메커니즘이 일어나는 걸 우리가 고·중도를 보고 있습니다. 이 1~2km의 상황은 왜 1km에서 30km처럼 30km×30km 하지 하고 1~2까지를 했냐면 대기정체에 따라서 기상 상황에 따라서 대기 높이가 믹싱될 수 있는 높이가 달라지기 때문에 그래서 1~2km를 했습니다. 일반적으로 저희가 대기에서 화학반응이 일어날 수 있는 믹싱되는 그 레인지를 한 1~2km 정도 보고 있습니다.

<답변> (사회자) 질문 없으시면 이것으로 마치도록 하겠습니다.

<답변> 감사합니다.

<끝>