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연구 목적

• 대기 중 부유하는 고체상 및 액체상 입자의 화학적 혼합물
• 황사 발생에 따른 모래 먼지, 화재나 고온 불완전 연소에 의한 블랙카본, 미세먼지 등을 포함
• [nm~μm] 크기이지만, 기후학적으로 중요한 의미를 갖는 에어로졸의 크기는 0.1~1μm

에어로졸(aerosol)이란?

에어로졸에 의한 기후변화

• 직접 효과: 지구로 들어오는 태양에너지를 에어로졸이 흡수 & 산란�- 대기 하층부 에어로졸은 태양복사를 직접적으로 흡수해 대류권을 가열시킴�- 에어로졸의 후방산란에 의해 대기의 알베도가 증가해 지표 도달 태양복사에너지가 감소하기도
• 간접 효과: 에어로졸이 구름의 미세물리과정과 복사 특성을 변화시켜 간접적인 기후변화 효과를 야기하기도 함

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연구 목적

• 대기 중 부유하는 고체상 및 액체상 입자의 화학적 혼합물
• 황사 발생에 따른 모래 먼지, 화재나 고온 불완전 연소에 의한 블랙카본, 미세먼지 등을 포함
• [nm~μm] 크기이지만, 기후학적으로 중요한 의미를 갖는 에어로졸의 크기는 0.1~1μm

에어로졸(aerosol)이란?

에어로졸에 의한 기후변화

• 직접 효과: 지구로 들어오는 태양에너지를 에어로졸이 흡수 & 산란�- 대기 하층부 에어로졸은 태양복사를 직접적으로 흡수해 대류권을 가열시킴�- 에어로졸의 후방산란에 의해 대기의 알베도가 증가해 지표 도달 태양복사에너지가 감소하기도
• 간접 효과: 에어로졸이 구름의 미세물리과정과 복사 특성을 변화시켜 간접적인 기후변화 효과를 야기하기도 함

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따라서 우리 조에서는...

1차 간접효과 (Twomey 효과)

구름의 응결핵 역할을 하는 에어로졸이 증가

→ (구름층내 수함량; Liquid Water Path이 일정할 경우) 미세한 크기의 구름방울 개수 농도(N) 증가

→ 구름의 광학적 두께 증가 → 구름의 반사도 증가 ∴ 지구 대기 냉각 효과

이론적 배경

2차 간접효과 (Albrecht 효과)

미세한 크기의 구름방울 개수 농도(N) 증가

→ 강수 효율이 떨어짐 & 구름의 체류시간 증가 (즉, 구름의 수명이 길어짐)

→ 운량 증가 ∴ 지구 대기 냉각 효과

준직접효과

대기 중 부유하는 검댕(black carbon, soot)으로 이루어진 스모그층이 태양 복사를 흡수

→ 운량 감소 ∴ 지구 대기 가열 효과

이론적 배경

• 전지구적 시스템을 대표할 수 있는 관계식

이론적 배경

• gamma distribution을 가정:

이론적 배경

• Extinction coefficient

미 산란(Mie scattering) 근사 및 소광계수(extinction coefficient)

• Extinction cross section

이론적 배경

대기 중 에어로졸 수농도 분석

이론적 배경

평균적인 cloud base height(CBH), cloud top height(CTH) (레이더 관측치)

이론적 배경

• 구름에 존재하는 구름방울(cloudwater) 중 빗방울(rainwater)로 바뀌는 비율
• “평균적인 구름방울 크기가 특정 임계값(threshold)을 넘으면, 몇몇 구름 방울들이 충돌·병합 과정을 통해 빗방울로 변한다”는 가정 하에 도출된다.
• 자동전환율을 계산하는 대표적인 네 가지 scheme: KE scheme, BR scheme, KK scheme, LD scheme

자동전환율(autoconversion rate)

이론적 배경

1차 간접효과

• 전지구적 시스템을 대표할 수 있는 관계식을 활용하였다.

1차 간접효과

2. Drop Size Distribution을 활용해 polydisperse cloud의 경우를 고려한다.

1차 간접효과

1차 간접효과

1차 간접효과

5. Single layer, Non-reflecting Atmosphere에 대한 복사수지 모델을 이용해�지표면의 온도를 구한다.

Liu-Daum-McGraw-Wood scheme

2차 간접효과

1. 에어로졸에 의한 구름 수명 연장 효과를 계산하기 위해 자동전환율 계산식을 이용한다.

1차 간접효과를 계산할 때와 중복되는 변수들이 존재해 같은 코드를 활용하였다.

2차 간접효과

2. 자동전환율에 필요한 변수 값들을 계산한다.

2차 간접효과

3. 앞서 구한 자동전환율을 바탕으로, 구름이 소멸되기까지 걸리는 시간을 계산한다.

• 관측기간: 2021.01.01.~2021.12.31. (1일 1회 관측)
• 관측지점: 안면도 기후변화 감시소(해발고도 45.7m)
• 사용 자료: 광산란계수(TSC550nm, BSC550nm), 광흡수계수(AC520nm), 월별 옹스트롬지수

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관측 정보

직접효과

1. 에어로졸 관측이 실시되는 안면도 지역의 옹스트롬 지수와 소광계수 관측치를 내려받는다.

직접효과

2. 소광계수를 고도(z)에 대해 적분해 에어로졸에 의한 광학적 두께를 계산한다.

직접효과

3. 옹스트롬지수를 이용해 에어로졸의 광학적 두께를 파장에 대한 식으로 나타낸다.

직접효과

태양의 Intensity (by. Planck function)

감쇠 후 지표에 도달하는 태양의 flux

1차 간접효과의 영향

에어로졸의 수농도와 물의 양 q에 따른 구름의 투과율(transmittance)

<Shortwave>

<Longwave>

1차 간접효과의 영향

에어로졸의 1차 간접효과로 인한 복사 수지 변화

• 가정: Single Layer, Non-reflecting Atmosphere

2차 간접효과의 영향

에어로졸의 2차 간접효과로 인한 구름 수명 변화

직접효과의 영향

에어로졸의 직접효과로 인한 복사수지 변화

에어로졸에 의한 소광을 고려한 2021년 안면도 지역의 태양복사에너지는 다음과 같다.

1차 간접효과

• 에어로졸 수농도가 증가함에 따라, 본 연구에서 사용한 대기 모델의 지표면의 온도가 증가하는 것으로 나타남
• 즉, 에어로졸이 온실효과에 기여한다는 것을 정량적으로 확인하였음

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의의

한계

2차 간접효과

• 에어로졸 수농도가 증가함에 따라, 구름이 완전히 소멸되기까지 걸리는 시간이 길어지는 것으로 나타남
• 에어로졸이 구름의 수명을 연장하여 지구 냉각효과에 기여하는 것을 확인함

의의

한계

• 계산한 구름의 수명이 실제에 비해 현저히 길게 나타남�이는 구름 내 수분량의 감소 과정에서 태양에너지에 의한 구름 물방울의 증발을 고려하지 않고, 오직 강수에 의한 영향만을 고려했기 때문으로 보임

직접효과

• 에어로졸 수농도가 증가함에 따라, 대기의 광학적 두께가 증가해 지표면에 도달하는 태양복사에너지의 양이 감소하는 것을 확인할 수 있었음

의의

한계

• 실제 관측되는 에어로졸의 직접 복사강제력과 큰 차이를 보임
• 이는 에어로졸에 의한 소광(extinction) 효과만을 고려했기 때문으로 보임
• 실제로는 에어로졸이 흡수한 태양에너지를 방출해 지구를 가열시키는 역할도 하는데, 이 과정이 고려되지 않았음

본 연구의 한계

• 선행 연구에서는 해당 연구 상황에 적합한 모델, 수치 등이 사용되는 것을 확인할 수 있었음
• 이와 달리, 본 연구에서는 데이터 수집에의 한계로 인해 다양한 레퍼런스를 통해 수식이나 가정, 수치들이 얻어졌기 때문에 특정 지역에서의 에어로졸에 의한 복사 수지 변화를 정확히 계산하는 데에는 무리가 있을 것으로 보임

참고문헌

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• 기상청. (2022.09.28). 에어로졸, 안면도(감), 2021, 일 자료. 에어로졸 - 파일셋. https://data.kma.go.kr/data/gaw/selectAerosolRltmList.do?pgmNo=629&tabNo=1
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• Oh, SB., Kim, YH., Kim, KH. et al. (2016). Verification and correction of cloud base and top height retrievals from Ka-band cloud radar in Boseong, Korea. Adv. Atmos. Sci. 33, 73–84 . https://doi.org/10.1007/s00376-015-5058-y