Yongjoo Choi

Ion Concentrations of Particulate Matter in Yongin in Spring and Fall

Mass and ion concentrations of and were measured in Yongin, downwind of the Seoul metropolitan area. Twenty-four hour average samples were collected daily for a month or so in spring and fall of both 2007 and 2008. Asian dust occurred twice in each period except in the fall of 2007. During the Asian dust period, nitrate in fine particles decreased since large amount of cations in coarse particles of Asian dust absorbed it. In spring 2008, sulfate as well as ammonium also increased in coarse particles. In spite of occasional Asian dust events, the influence of secondary formation was dominant over the period. Excessive ammonium over sulfate was enough to neutralize nitrate as well. High correlation coefficients between and sulfate, nitrate, and ammonium indicate a close relationship between secondary formation and biomass burning. Biomass burning and open burning are considered to be important sources of chloride.

Classification of diurnal patterns of particulate inorganic ions downwind of metropolitan Seoul.

The inorganic ions in PM2.5 were measured downwind of metropolitan Seoul using a particle-into-liquid sampler over three periods. Five diurnal patterns, including a low-concentration pattern (L) and a high-concentration pattern with a decreasing trend during the day (H-), were distinguished for the first period from February to June 2012. The sum of ion concentrations increased primarily due to NO3− with decreasing temperature and increasing relative humidity, which caused preferential partitioning of NO3− into the particulate phase. The peak concentration occurred during the morning rush hour for L but was delayed until the next morning for H- due to the time required to form secondary inorganic ions from accumulated pollutants under lower wind speeds. The characteristic features of the patterns observed during the first period were generally similar with those obtained for the other two periods. However, for the second period, comprised of colder months, changes in the diurnal patterns from L to H- were accompanied by increasing temperature, as the effect of photochemical formation of NO3− was larger than that of volatilization. Although the role of long-range transport was not distinct on the whole, the inflow of air masses from cleaner sectors was observed to lower the concentrations.

A Study on Chemical Characteristics of Aerosol Composition at West Inflow Regions in the Korean Peninsula II. Characteristics of Inorganic Aerosol Acidity and Organic Aerosol Oxidation

We examined acidity state of inorganic aerosol and oxidation state of organic aerosol by High Resolution Time of Flight Aerosol Mass Spectrometer (HR-ToF-AMS) at Baengnyeong Super site from Jan 2012 to Dec 2013. Additionally, we carried out the analysis for the aerosol component group of organic matter (CxHy, CxHyO1, CxHyOz, CxHyOzNp) and elemental composition to calculate H/C, O/C, N/C, OM/OC and identify the oxidation state. The aerosol chemical composition in this study is dominated by sulfate (SO4), nitrate (NO3-) plays a smaller role in aerosol acidity. Ammonium (NH4 ) was found in a formation of (NH4)3H(SO4)2. However, the binding formations of NH4NO3 and NH4Cl increase in the winter. CxHyO1 indicating the oxidized state of PM1.0 has the highest ratio of 한국외국어대학교 | IP: 203.253.73.*** | Accessed 2016/12/06 16:56(KST) 486 최진수·김정호·이태형·최용주·박태현·안준영·박진수·김현재·구윤서·김신도·홍유덕·홍지형 한국대기환경학회지 제 32 권 제 5 호 1. 서 론 초미세먼지의 경우 호흡기로 깊이 이동함으로써 폐 기능 장애를 발생시키며 대부분의 지역들에서 이차 입 자상 오염물질을 생성하는 것으로 알려져 있어 세계보 건기구 (WHO)에서는 이런 입자상 물질에 대하여 환경 기준을 제시하여 그 영향을 인식시키고 있다 (Baker and Foley, 2011). 입자를 형성하는 여러 종류의 물질들 중 황 화합물 들은 자연적, 인위적으로 대기 중으로 배출되고, 이러 한 황 화합물들은 대기 중에서 광화학작용을 거쳐서 최종적으로 황산염 (Sulfate)의 형태로 변환된다. 이런 변환과정에 기여하는 주요 요소들 중 자연발생에 의한 DMS (Dimethyl sulfate)의 가스상 (SO2) 산화나 SO2의 황산염 산화는 OH 라디칼 농도와 관련이 있으며, 액상 산화에 의한 황산염의 변환은 운량과 H2O2와 관련되 어 있다 (Langner and Rodhe, 1991). 이런 황 화합물들 은 발생원에서의 배출 과정, 장거리 수송 과정에서 물 리·화학적으로 입자가 성장하거나 특성이 변화하기 때문에 불확실성이 크고 그 영향을 정량적으로 파악하 기에 어려움이 있다. 황 화합물과 질소산화물 외에 입자를 형성하는 주요 한 물질 중 유기성분은 Jimenez et al. (2009)의 연구에 서 대기 중 입자의 약 20%~90%를 차지하는 것으로 나타났고, Middlebrook et al. (1998)의 연구에서도 대기 중 건조한 미세입자상 물질의 10%~70%를 차지하는 것으로 조사되어, 대기 중 입자의 상당량을 차지하는 것으로 파악되고 있다. 하지만 이러한 유기성분은 인 위적 또는 자연적으로 다양한 오염원에서 배출되어 대 기 중에서 수백 가지의 서로 다른 물질들로 구성되기 때문에 유기입자상 물질의 조성 및 형성기작을 이해하 기란 매우 어려운 사항이다 (Alfarra et al., 2004). 때문에 복잡한 생성과정을 가지는 입자의 물리·화 학적 특성과 영향을 규명하는 다양한 공동관측들이 수 행되어 왔다. Topping et al. (2004)의 연구에서는 동아 시아 지역의 입자에 대한 특성을 규명하고자 2001년 ACE-ASIA (Aerosol Characterization Experiment in Asia) Campaign 기간 동안 제주 고산 지역에서 지상, 선박 및 항공기를 이용한 관측이 수행되었으며, Boudries et al. (2004)의 연구에서는 PACIFIC 2001 (TraceP, Transport and Chemical Evolution over the Pacific) Campaign 기간 동안 캐나다 Vancouver의 Lower Fraser Valley (LFV)에서 이차 유기입자의 형성과정을 분석하 여 이 지역의 대기오염 현상을 보다 명확히 이해하기 위한 연구가 이루어졌다. 또한 Salcedo et al. (2006)의 연구에서는 MCMA-2003 (Mexico City Metropolitan Area field study-2003) Campaign 기간 동안 MCMA2003 Campaign 지역의 NO2와 OH 라디칼의 광화학 반 응으로 생성된 이차 입자 성분의 연구가 수행되었다. 본 연구에서는 백령도에서 2012년부터 2013년까지 HR-ToF-AMS (High Resolution Time-of-Flight Aerosol Mass Spectrometer)를 이용하여 PM1.0의 화학적 성분 (Sulfate, Nitrate, Ammonium, Chloride, Organic mater) 을 실시간으로 측정하였으며, 이를 I. PM 농도 및 화학 성분 특성, II. 입자의 산성도 및 산화 특성 등 2편의 연 구논문에 나누어 정리하고 이를 각각 게재하고자 하였 다. 본고는 두 번째 논문으로 국내의 영향을 최대한 배 제한 배경지역에서 무기이온 성분의 결합 형태와 중화 도를 분석하고, 유기성분을 C, H, O, N의 이온그룹으로 분류하여 산화 수준을 분석하여 국외에서 한반도로 유 입되는 입자상 물질의 형태와 특성을 이해하는 근거자 료로 활용하고자 하였다.

Physico-chemical Characteristics of Submicron Aerosol at West Inflow Regions in the Korean Peninsula III. Physical-Chemical Behavior and Long-range Transport of PM1

Physico-chemical measurement of non-refractory submicron particles (NR-PM1) was conducted in Baengnyeong Island, Korea using Aerodyne High Resolution Time of Flight Aerosol Mass Spectrometer (HR-ToF-AMS) from 2012 to 2014. Organics and ammoniated sulfate were dominant species in NR-PM1. The organics was found to have similar fractions (approximate 40%) of NR-PM1 during the summer and winter, while the sulfate fractions of NR-PM1 were calculated to be approximately 47% and 31% for the summer and winter, respectively, suggesting the possibility that particles provide non-acidic surfaces for condensation of nitric acid in the winter. The nitrate fractions of approximate 4% and 20% of NR-PM1 were observed in August (summer) and November (winter), respectively, resulting that the relatively low concentration of sulfate in NR-PM1 provided a non-acidic surface for nitric acid condensation and formation of particulate ammoniated nitrate is favored thermodynamically in winter. The new particle formation (NPF) event and particle growth rate were analyzed for each month in 2014 using 한반도 서부유입권역에서 대기 중 에어로졸 성분의 물리·화학적 특성 연구 III. 화학적 거동 및 장거리이동 125 J. Korean Soc. Atmos. Environ., Vol. 33, No. 2, 2017 1. 서 론 중국을 비롯한 아시아 여러 국가의 경제성장은 무분 별한 개발을 야기하며 그로 인해 각종 환경오염이 발 생된다. 그중 대기오염은 주변으로 확산되기 쉽고 장 거리 이동을 통해 국제 간의 문제를 야기하여 그 심각 성이 점점 강해지고 있다 (Richter et al., 2005; Park and Lee, 2002; Streets et al., 2001). 주변 국가들의 산업화 로 인한 경제성장은 아황산가스 (SO2) 및 질소산화물 (NOX)뿐만 아니라 휘발성유기화합물 (Volatile Organic Compounds; VOCs)의 배출량 증가를 보이고 있으며, 이 전구물질들은 2차 입자상 물질을 형성하게 되어 주 변뿐만 아니라 장거리 이동으로 인한 주변 국가에도 많은 피해를 줄 수 있다 (Chen et al., 2016; Oh et al., 2015; Wilkening et al., 2000). 또한, 이러한 미세입자는 폐 속 깊숙이 침투하여 호흡기 질환을 야기하는 등 건 강에 대한 위해성이 크기 때문에 미국과 유럽 등 세계 각지에서 미세먼지 (Particulate Matter; PM10)와 초미세 먼지 (PM2.5)의 대기질 기준을 마련하고 있다 (Mugica et al., 2009; Oravisjärvi et al., 2003). 미국의 경우 24시 간 기준 35 μg/m와 연평균 15 μg/m을 기준으로 설정 하고 있다 (Khan et al., 2010). 세계보건기구 (World Health Organization; WHO)에서도 PM10과 PM2.5의 24 시간 평균 권장기준 (50 μg/m, 25 μg/m)과 연평균 권 장기준 (20 μg/m, 10 μg/m)을 정하여 미세입자의 관리 를 요구하고 있다. 복합적인 대기오염물질을 효과적으 로 관리하기 위해서는 국내의 대기오염 배출원 및 배 출량뿐만 아니라 국외에서 국내로 유입되는 대기오염 물질을 함께 파악하는 것이 중요하다. 또한, 국내로 유 입되는 에어로졸의 유입경로를 정확히 파악하는 것은 학술적 및 국가 정책에 있어 매우 중요하다. 국내에서 배경지역으로 평가할 수 있는 태안지역에서는 겨울과 봄철에 북서풍으로 인한 중국의 월경현상에 따라 입자 상 물질도 다량 유입되는 것으로 밝히고 있다 (He et al., 2003). 특히 중국으로부터 유입된 SO2는 서울시 대 기 SO2 중 8~12%를 차지하며, 2차 오염물질의 주성분 인 PAHs 또한 목재를 난방연료로 사용하는 겨울철에 높게 측정되고 있다 (Lee et al., 2011). 본 연구는 High Resolution Time of Flight Aerosol Mass Spectrometer (이하 HR-ToF-AMS)와 Scanning Mobility Particle Sizer (이하 SMPS)를 이용하여 2012~2014년의 배경지역인 백령도 대기 중 미세입자 의 물리·화학적 특성에 관한 연구를 진행하였으며, 중국 칭다오 (2013년 11월)의 HR-ToF-AMS를 이용한 PM1 관측자료를 활용하여 중국으로부터 장거리 이동 에 의해 국내로 유입되는 PM1의 화학적조성에 대한 분석을 실시하였다.

A Study on Chemical Characteristics of Aerosol Composition at West Inflow Regions in the Korean Peninsula I. Characteristics of PM Concentration and Chemical Components

HR-ToF-AMS was applied for a seasonal and size-distributional measurements for inorganic (SO4, NO3-, NH4 , Cl) and organic components in Baegryung Island Super Site. The average concentration of PM1.0 remarks 12.9 μg/ m while 14.5 μg/m in Spring time, 14.2 μg/m in Winter, 13.1 μg/m in Summer and 9.86 μg/m in Autumn. The mass of measured PM1.0 shows 54.6% of PM2.5 which is similar to those of Beijing and Lanzhou, China. The highest portion of Chemical composition is SO4 marking 41.0%, 31.8% by organics, 13.5% by NH4 , 12.8% by NO3and 1% by Cl. In every seasons, except winter, SO4 remarks the highest level, organic components take place the highest in winter time. The size-distribution of PM1.0 components scattered at accumulation mode of 200 nm~800 한국외국어대학교 | IP: 203.253.73.*** | Accessed 2016/12/06 16:56(KST) 470 최진수·김정호·이태형·최용주·박태현·오 준·박진수·안준영·전하은·구윤서·김신도·홍유덕·홍지형 한국대기환경학회지 제 32 권 제 5 호 1. 서 론 최근 미세먼지 (PM10) 농도는 증가추세에 있는데, 2012년도의 경우 우리나라와 인접한 중국 북동부 지 역의 PM10 평균 농도는 90 μg/m로 서울지역 평균 농 도 41 μg/m보다 2배 이상 높았고, 2013년도에는 중국 북동부 지역이 134 μg/m, 서울지역이 45 μg/m로 나타 났으며, PM10과 더불어 PM2.5의 고농도 발생 사례가 증 가하고 있다 (NIER, 2015). 미세먼지는 대기로 직접 배출되는 1차 오염물질과 대기로 배출된 가스상 오염물질 (SO2, NOx, NH3) 및 휘 발성유기화합물질 (VOCs)의 다양한 반응을 통해 생성 된 2차 오염물질이 주요한 기원으로 알려져 있는데, 미 세먼지의 구성 성분 중 2차 생성 미세먼지는 약 50% 수준인 데 반하여, Haze와 같은 고농도 사례에는 무려 80%에 이르는 것으로 나타났다 (Cho et al., 2013). 특 히 중국 베이징의 경우 2013년 1월 기록적인 PM2.5 농 도를 나타내었는데 이 당시 PM2.5 농도는 무려 1000 μg/m에 이른 것으로 나타났으며 (Zhang et al., 2014), 이러한 고농도 사례는 인접한 우리나라에도 직·간접 적인 영향을 미칠 수 있다. 이러한 현상을 반영하듯 최근 중국에서는 PM2.5보다 더 작은 PM1.0 입자에 대한 연구가 활발히 진행되고 있 다. 특히 중국에서 연구된 다양한 사례들을 살펴보면 겨울에 농도가 증가하고 여름에는 비교적 낮은 수준을 유지하는데 (Sun et al., 2012; Sun et al., 2011; Sun et al., 2010), HR-ToF-AMS (High Resolution Time-ofFlight Aerosol Mass Spectometer, Aerodyne, USA)를 이용하여 2013년 1월과 2월에 측정된 대기 중의 PM1.0 은 평균 89.3 μg/m, 최대 423 μg/m로 PM1.0의 50% 가 량이 Organic 성분으로 (Zhang et al., 2014), 산업지역 의 경우에는 NO3성분의 비율이 증가하는 것으로 나 타났다 (Hu et al., 2013). HR-ToF-AMS는 실시간으로 에어로졸을 유입시켜 PM1.0 이하의 입자에 대한 질량 분석을 통해 화학적 성분과 입경에 따른 화학적 성분 을 분석할 수 있어 비단 위에서 언급한 중국의 대도시 및 산업지역뿐만 아니라 2000년대 들어 세계적으로 다양한 지역과 실험실에서 대기 중 유기에어로졸의 형 성 및 기원을 밝히기 위한 연구들에 활발히 활용되어 오고 있다 (Ng et al., 2011; Jimenez et al., 2009). 우리나라의 경우 중국의 대기오염이 악화되어감에 따라 이에 대한 영향을 파악하고자 황사종합대책의 일 환으로 2008년도에는 우리나라 서쪽 끝에 위치한 백 령도에 집중관측소를 설립하여 대기오염물질을 측정 및 분석해오고 있으며 (NIER, 2015), 백령도를 중심으 로 미세먼지에 대한 연구들을 수행해 오고 있다. Lee et al. (2010)은 백령도에서 대기오염물질의 농도 및 분 포 특성을 파악하였고, Kong et al. (2010)은 이러한 미 세먼지의 생성원인을 조사하였으며, Lim et al. (2013) 은 백령도에서 관측한 기류의 유입경로에 따른 오염도 를 평가하는 연구를 수행하였다. 하지만 기존의 연구 들을 살펴보면 한정된 기간 동안에 측정된 결과를 나 타내기 때문에, 백령도 배경지역의 전반적인 특성을 파악하기에는 제한적임을 알 수 있으며, 이를 극복하 기 위해서는 장기간에 걸친 측정과 분석이 요구되었 다. 그러므로 본 연구에서는 백령도의 미세먼지 특성을 파악하기 위해서, PM2.5와 PM10의 장기변화 경향을 분 석하였으며, 2012년부터 2013년까지 HR-ToF-AMS로 측정한 5분의 시간분해능을 가진 PM1.0 질량스펙트럼 결과를 중심으로 화학적 구성성분과 입경에 따른 화학 적 성분을 파악하여, 계절과 기류의 유입에 따라 한반 도 서해안 배경지역의 미세먼지 특성을 살펴보고자 하 였다. 또한 장기간에 걸쳐서 측정된 자료를 분석 목적에 따라 I. PM 농도 및 성분 특성, II. 입자의 산성도 및 산 화 특성 등으로 나누어 정리하였다. I 편에서는 2009부 터 2014년까지 Beta-ray 방법으로 측정한 PM10과 PM2.5의 장기변화 추세와 HR-ToF-AMS에 의한 PM1.0 의 계절별 화학적 성분과 입경에 따른 화학적 성분을 분석하였다. nm which means the influence of primary emission is low. In case of air stream from the industrialized area of Sandung, Shanghai, China, the concentrations of such components were distributed a bit higher.

Identification of columnar aerosol types under high aerosol optical depth conditions for a single AERONET site in Korea

Dominant aerosol types were classified using level 2 inversion products for the Anmyon Aerosol Robotic Network (AERONET) site in Korea for the period 1999–2007. The aerosol types were mineral dust (MD), MD mixed with carbon, and black carbon mixed coarse particles (BCCP) for coarse mode aerosols, black carbon (BC), organic carbon (OC), and secondary inorganic ions (SII) for fine mode aerosols, and mixed particles between. The classification was carried out using a clustering method based on parameters, including single scattering albedo (SSA), absorption Angstrom exponent (AAE), and fine mode volume fraction (FMVF). Among the seven aerosol types, MD was distinct, with the highest AAE and a very low FMVF and SII with the highest SSA and FMVF. BCCP was introduced to designate coarse particles mixed with BC, of which the AAE was lower than 1, despite a low FMVF. In addition to a large difference in AAE between BC and OC, the SSA of OC was larger than that of BC, indicating the effects of the white smoke produced from the smoldering phase of biomass burning. Monthly variations of the aerosol types were well interpreted by meteorology and emissions and coincided with those in the previous studies. Applying our results to well-characterized global AERONET sites, we confirmed that the aerosol types at Anmyon were valid at other sites. However, the results also showed that the mean properties for aerosol types were influenced by the specific aerosols prevalent at the study sites.

Natural and anthropogenic influences on heavy metals in airborne particles over the Korean Peninsula.

Six monitoring stations were selected to characterize the variations in airborne concentrations of heavy metals in South Korea between 1999 and 2012. Three stations represented higher concentrations, and three represented lower concentrations. The heavy metals monitored at these stations include cadmium, chromium, copper, iron (Fe), lead, manganese (Mn), and nickel. During the study period, concentrations of heavy metals at many stations, including those around the Seoul metropolitan area, showed a decreasing trend. However, concentrations of Mn and Fe that are primarily of crustal origin increased at four of the six stations. Some stations were significantly affected by emissions from the local industrial complex (IC), and heavy metal concentrations at those stations were relatively high even in summer. Many heavy metal concentrations were higher in spring than in winter, but wintertime concentrations of Cr and Pb were higher at the stations representing lower concentrations due to the dominant influence of combustion emissions. At stations less affected by emissions from the IC, concentrations of Fe and Mn that are predominantly crustal in origin were higher in spring, when Asian dust (AD) events are most frequent. Although Mn concentrations were also high at stations within the steelmaking IC during AD periods, they were much higher during non-AD periods due to local emissions. Variations in heavy metal concentrations, which are heavily influenced by emissions from the IC, warrant individual analysis because their emission characteristics differ from those of typical cases.

Assessment of the clear-sky bias issue using continuous PM 10 data from two AERONET sites in Korea

A bias in clear-sky conditions that will be involved in estimating particulate matter (PM) concentration from aerosol optical depth (AOD) was examined using PM10 from two Aerosol Robotic Network sites in Korea. The study periods were between 2004 and 2007 at Anmyon and between 2003 and 2011 at Gosan, when both PM10 and AOD were available. Mean PM10 when AOD was available (PMAOD) was higher than that from all PM10 data (PMall) by 5.1 and 9.9μg/m3 at Anmyon and Gosan, which accounted for 11% and 26% of PMall, respectively. Because of a difference between mean PM10 under daytime clear-sky conditions (PMclear) and PMAOD, the variations in ΔPM10, the difference of PMall from PMclear rather than from PMAOD, were investigated. Although monthly variations in ΔPM10 at the two sites were different, they were positively correlated to those in ΔT, similarly defined as ΔPM10 except for temperature, at both sites. ΔPM10 at Anmyon decreased to a negative value in January due to an influence of the Siberian continental high-pressure system while ΔPM10 at Gosan was high in winter due to an effect of photochemical production at higher temperatures than at Anmyon.

Estimation of columnar concentrations of absorbing and scattering fine mode aerosol components using AERONET data

Columnar concentrations of absorbing and scattering components of fine mode aerosols were estimated using AERONET data for a site downwind of Seoul. The study period was between March 2012 and April 2013 including the period of the Distributed Regional Aerosol Gridded Observation Networks (DRAGON)-Asia campaign in March to May 2012. The Maxwell Garnett mixing rule was assumed for insoluble components embedded in a host solution while the volume average mixing rule was assumed for the aqueous solution of soluble components. During the DRAGON-Asia campaign the surface concentrations of major components of fine particles were measured. The columnar mass fractions of black carbon (BC), organic carbon (OC), mineral dust (MD), and ammonium sulfate (AS) were 1.5, 5.9, 6.6, and 52%, respectively, which were comparable to the mass fractions measured at the surface for BC, OC, and secondary inorganic aerosols at 2.3, 18, and 55%. The vertical distributions of BC and AS were investigated by employing the concept of a column height. While the column height for BC was similar to the planetary boundary layer (PBL) height, that for AS was 4.4 times higher than the PBL height and increased with air temperature from March to May. The monthly variations of the columnar mass concentrations during the study period were generally well explained in term of meteorology and emission characteristics. However, certain variations of MD were different from those typically observed primarily because only fine mode aerosols were considered.

An Assessment Study for the Urban Air Monitoring Network in Seoul

Twenty-five stations of the urban monitoring network in Seoul were assessed with a focus on surveillance function of the exceedances of 8-hour ozone and 24-hour PM10 standards. The two standards were selected because their attainment rates were particularly low. Two hierarchical cluster analyses were performed to group stations with similar atmospheric environments-one using daily highest 8-hour [O3+NO2], 8-hour O3 concentrations plus corresponding 8-hour NO2 concentrations considering the interconversion of O3 and NO2, and the other using 24hour PM10 concentrations. An index to measure higher concentration and exceedances of the standards was introduced. Within a cluster, sufficiently high score was assigned to the trends station or the station with higher index. Scores for O3+NO2 and PM10 of a given station were added and ranked in the descending order to determine the relative importance.