I. 윤대옥 교수 연구배경

국제 사회는 오존층파괴와 기후변화에 의한 심각한 인류에 대한 위협 앞에 과학적 근거에 기반하여 다양한 국가간 협정(protocol)을 체결하여 오고 있다. 과학자들은 국가간 협정을 뿐만 아니라 정책입안자 및 국민들(stakeholders)에게 관련된 정보를 제공하기 위해, 정치, 경제, 문화, 산업 등에 영향을 줄 자연현상을 보다 정밀하게 이해하려는 노력을 하고 있다. 이러한 노력은 급변하는 지구환경을 이해하여 미래의 지구변화에 대비하기 위한 과학적 연구를 포함하고 있다.

이에 기후변화에 관한 국가간 협의체(IPCC)가 구성되었고, 과학자들의 노력으로 진보되어 가고 있는 과학적 기반에 근거하여 기후변화의 인과관계를 보다 정밀하게 분석한 결과물과 지구시스템모형, 화학-수송 모형, 복사모형 등을 이용한 미래예측 모형 분석자료들을 집대성하여 기후변화 평가보고서(IPCC Reports)를 지속적으로 발간하여왔다. 이러한 노력으로 IPCC는 노벨 평화상을 2007년 공동 수상하였다. 또한 오존층파괴 과정이 과학적으로 밝혀진 후 세계 160개국 이상이 서명한 몬트리얼 의정서가 발효되었고, 오존층파괴의 원인을 밝힌 그 공로자들에게는 1995년 노벨 화학상이 수여되었다. 오존층 문제에 대해서는 세계기상기구(WMO)와 유엔환경개발(UNEP)에 의해 오존파괴 평가보고서(WMO AR)가 지속적으로 발간되어오고 있다. 그림1은 노벨상과 연관된 최근의 IPCC와 WMO의 평가보고서 표지이다.

그림 1. 수백명의 대표적인 기후변화와 오존 연구 과학자들이 참여하는 IPCC AR-4 WG1의 기후변화 평가보고서와 WMO 오존 평가보고서 표지

그림1 좌측에 보여지는 IPCC 4차 Working Group 1의 평가보고서는 관측자료의 분석 결과 외에 현재 인간의 지식이 집약된 지구 물리/화학/생지화학 과정을 수학적으로 담아내는 수치모형을 이용하고 있고, 다양한 수학/통계/대기과학에서 통용되는 자료 및 모형 분석법들이 총동원되어 과거와 미래를 진단하고 예측한 결과를 담고 있다. 또한, WMO 오존파괴 평가보고서의 경우에는 오존 생성/파괴 과정 및 지구온난화 물질들에 대한 평가와 이를 이해하기 위해 개발된 정책결정 인자(Metrics)값들에 대해 분석한 결과를 수록하여 정책입안자들이 참고하도록 하고 있다. 과학기술의 발달과 함께 기후 및 오존에 대한 이해도 높아지기 때문에 과거의 단순화된 방법으로 계산하던 인자들을 보다 정교하게 계산하는 아이디어와 함께 모델링 기법이 개발됨에 따라 지속적으로 평가보고서는 개선된 값을 보고하고 있다.

그러므로 우리의 대기환경에 영향을 주는 현상의 규명/진단/예측을 위해서는 인간 지식의 집약체인 수치모형의 개발과 자연현상에 대한 보다나은 물리적인 수치해법의 도입이 필수적이다. 특히 그림2에서 보이는 바와 같이 기후변화의 문제는 과학적으로 기상과 기후와 오존(화학물질)의 상호작용을 필히 동시에 고려하여야 하고, 국지적인 도시규모 대기오염의 문제도 기상과 대기오염이 함께 연동되어 이해하여야 함을 살펴볼 수 있다. 기후변화로 인한 도시기상의 변화와 도시 대기환경의 변화에 대한 연구는 광범위한 정보가 필요하여 국제적인 협력연구가 필수적이다. 국제적인 협력에 의하여 현지(in-situ) 및 원격(remote sensing) 측정으로 기후 및 대기오염 현상을 이해할 필요가 있고, 또한 이를 위해서는 정교한 수학적인 이론을 바탕으로 한 기상과 대기오염이 연동된 지구규모에서 도시규모의 기후-화학모형의 지속적인 개선과 개발이 필요하다. 동시에 빠르게 미래의 변화를 예측하기 위해서는 최고 수준의 슈퍼컴퓨팅 자원을 이용하여야 한다.

이에 윤대옥 교수는 약 17년 간의 슈퍼컴퓨팅 및 리눅스 클러스터의 설치 및 이용 경력을 바탕으로 수치 모델링 기법을 개발하고 있으며, 인공위성/항공기/선박/관측소 측정자료의 분석과 분석기법을 개발하고 있다. 또한, 측정자료와 모델링 즉 수치모형의 계산 결과를 비교하는 기법의 개발을 위해 연구에 매진하고 있다.

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그림 2. 기후와 오존의 상호작용(좌측)과 대기오염과 기후변화(우측). (U.S. EPA, 2009)

II. 주요 연구분야

2.1. 대기 화학-복사-수송 모형 개발과 응용 연구

미국 Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL)에서 개발된 전 지구 규모의 화학-복사-역학이 상호작용하는 2.5차원(역학 3차원, 수송 2차원) 모델을 독자적으로 분석한 결과, 대기대순환을 좌우하는 역학부분에 미비점이 있음을 발견하였다. 이에 따라 물질의 질량수송 모듈과 파동의 전파와 파괴과정을 과거 수학이론을 바탕으로 수치계산 알고리즘을 개선하여 LLNL 모형에 도입하였다. 또한 과학적으로 모형의 여러 물리/역학/화학 과정들을 하나하나 분석하여, 대기 순환을 결정하는 보다 정확해진 역학부분의 입력자료로 사용되는 복사강제력 계산 알고리즘인 복사모형이 불안정하다는 것을 발견하여 당시 최신의 복사모형으로 교체하여 복사과정계산을 안정화시켰다. 최종모형에서 결정된 화학물질의 분포를 인공위성의 자료와의 비교를 통해 모형의 파동모사부분을 더 세밀하게 수학적으로 해석하여 파동역학 개선과 함께 새롭게 알려진 화학반응과정을 첨가하여 화학부분도 개선하여 보다 정교한 2.5차원 화학-복사-역학 모형으로 만들었다. 일반적인 모형의 구조는 그림 3에서 보이는 바와 같으며, 지구시스템에서의 물리와 화학적인 과정, 인간활동에 의한 배출, 자연계의 배출 등이 연동되어 다루고 있다.

그림 3. 대기 기상(기후)-화학-수송 모형의 구조

이렇게 개선한 이차원 화학-복사-역학 모형을 이용하여 지구온난화와 연관된 성층권 미량기체의 장기 변동성의 원인을 검증하였고, 관측된 기후변화와 대류권 파동현상이 연관되어 있어 이러한 대류권 파동의 전파가 중층대기 성층권 화학물질의 변동성의 원인임을 밝혔다(Youn et al., 2006). 또한, Montreal Protocol에 의해 규제 받는 CFCs등과 같은 지구온난화 물질이자 오존층 파괴물질들의 대기 중에서의 역학적인 수송과 연관된 화학적인 변동 및 중층대기(오존층) 미량기체에 미치는 영향도 분석하였다 (Guillas et al., 2012, Submitted to Atmospheric Chemistry and Physics).

인간의 활동에 의한 지구온난화물질과 오존층파괴물질 변화에 따른 오존층파괴효과(ODP, Ozone Depletion Potential)와 지구복사효과에 의한 지구온난화효과(GWP, Global Warming Potential)를 미국 국립대기연구소(NCAR)에서 개발한 MOZART 삼차원 화학-수송모형 외의 기후변화에 의한 복사학적인 영향을 살펴볼 수 있는 UIUC 3-D Radiative-transfer model과 같은 대기 복사모형들을 이용하여 평가하고 분석하였다 (Youn et al., 2009, 2010). 이를 위해 최신의 전구규모 삼차원 화학-수송모델의 평가하고 개선하면서 적용하여 기후변화와 연관된 지구대기조성물질의 분포와 변화를 연구하였다. 이러한 삼차원 화학-수송 모형을 응용하여 핵무기 개발과 핵실험을 wide-area detection technique으로 미리 알아내기 위한 목적인 평화연구를 수행하였다. 이는 우라늄 추출 시 발생하는 Krypton-85과 Xenon isotope의 대기모델링을 수행을 포함하는 연구이다(Youn et al., 2006).

또한, 윤대옥 교수는 Honeywell/Dupont사에서 개발하는 새로운 화학물질들이 대기환경에 미치는 영향을 평가하기 위하여 대기화학모델링 연구를 수행하였다. 그러한 연구 중에 West Lafayette에 있는 Purdue 대학 화학과의 Joe Francisco 교수님과도 연결되어 Gaussian과 multi-well 모델을 이용하는 분자화학의 계산결과로 나온 방대한 화학 과정들을 대기화학모델에 넣는 공동작업과 Monica Martinez-Aviles라는 대학원생을 지도하면서 계산화학 즉, 양자화학을 대기화학모델링에 응용하는 연구를 수행하였다(Wuebbles et al., 2011).

위의 연구결과로 세계기상기구(WMO) 오존파괴 평가보고서(Scientific Assessment of Ozone Depletion, 2010)에 인용되는 성과를 얻을 수 있었다. 즉, 지구온난화물질로 대표적인 할론(Halon) 화학물질에 의한 직·간접적인 지구온난화지수(GWP, Global Warming Potential)를 모델링을 통해서 계산하는 방법을 고안하여 보고(Youn et al., 2009)하였고, 이 결과는 WMO 보고서에 소개(그림 4)되었고 추후 발간된 IPCC 기후변화 보고서에도 실릴 예정이다. 또한, 윤대옥 교수가 제안한 모델링을 통한 GWP을 계산하는 방법은 새로운 연구로 소개되어 WMO에서 추가적으로 지속적인 연구가 필요함이 강조되었다. 그러나, 이러한 연구를 위한 수치모델링 계산은 많은 인력과 방대한 슈퍼컴퓨팅 자원이 필요하므로 국가적 차원의 지원이 요구되는 실정이다.

그림 4. WMO의 오존파괴 과학적평가 보고서(2010)에 소개된 Youn et al. (2009)의 논문자료

2.2. 기후모형과 접목된 대기 화학-복사-수송 모형 개발과 응용 연구

최근 중국 및 동남아시아의 급격한 경제성장으로 아시아 특히 동아시아 지역은 세계적으로 가장 큰 대기 오염물질 배출 지역이다. 이로 인한 대기환경의 변화가 예상되고 있으며 동아시아지역에서의 기후변화와 더불어 대기환경의 변화를 예측하고, 환경 변화에 대한 적응 및 대응책을 발전시켜야 할 필요성은 아주 크다. 따라서 기후변화 강제력으로 작용하는 대기오염 물질을 포함하는 대기의 조성성분의 화학적 특징을 규명할 필요가 있다. 또한, 과거에 진행된 기후변화에 대한 이해를 바탕으로 한, 미래의 기후변화에 따른 대기화학환경변화의 예측은 미래의 대기환경 변화에 대한 대응과 대비를 위해 필수적이다.

대기 중 여러 온실기체 및 에어로졸은 복잡한 화학적 현상들을 통해서 대기 중에서 생성 또는 소멸한다. 이러한 화학 물질들의 잔류시간은 화학과정 및 기상과 연관된 대기역학과 수송, 물리과정 들의 복합적 작용으로 결정된다. 대기 중의 온실기체와 에어로졸의 농도 및 그것들의 시공간적인 분포는 기후변화에 중요한 요인이다. 따라서 기후변화 연구를 위해서 대기 중으로 방출되는 화학물질들의 방출량뿐만 아니라 여러 물리/화학적 현상들을 정확하게 이해하는 것이 필요하다. 기후변화와 대기 중의 화학물질의 변화는 결국 서로 연관되어 있다. 하지만, 대기에 대한 이해가 상당히 깊어진 최근에 와서야 보다 과학적인 접근이 가능해 지고 있다. 미래의 대기화학환경의 변화, 즉 화학적 조성의 변화와 기후 변화를 과학적으로 이해하고 예측하기 위해서는 최신의 축적된 대기물리/화학적 지식과 그것들의 상호작용을 표현할 수 있는 정교한 수치모델링을 필요로 한다. 윤대옥 교수는 현재 이해가 부족한 부분인 대류권계면 부근의 물리과정에 대한 평가를 공동으로 수행하였다. 인공위성 오존 및 주요 미량기체 측정자료 및 국제측정망 자료와 대기화학-수송 모형의 대류권계면 부근의 모의 결과의 비교를 정교하게 수행하여 비교를 위한 진단법을 고안하여 제시하였다(Lee et al., 2012).

그림 5. 기후와 대기화학이 접합된 모델링 시스템의 모식도

그림5에 보이는 바와 같은 기후와 대기화학과정이 접합된 수치모델링 시스템을 개발하고 검증한 후, 환경부 국립환경과학원 슈퍼컴퓨터에 모델링 시스템을 설치하여 미래 기후변화에 따른 대기환경변화의 예측자료를 생산하였다. 이 예측자료는 각 분야의 기후변화 적응정책수립을 위한 기초자료로 사용되고 있다. 국내에도 미래의 기후와 대기환경을 예측할 수 있는 도구를 마련한 것으로 의미가 크고, 이 결과는 KEI내에 있는 국가기후변화적응센터에서 기후변화 적응정책 수립을 위한 기초자료로 활용되고 있다.

기후모형과 대기화학모형이 접목되었기 때문에 산불이나 화산폭발과 같은 자연재해 발생 시 배출되는 황산화 물질과 기상과 기후에 영향을 줄 탄소물질들과 같이 보건과 환경에 영향을 주는 물질들에 따른 대기질 및 기상 영향도 평가할 수가 있는 기반을 마련하게 되었다 (Youn et al., 2011; Moon et al. 2011).

2.3. 우리나라 도시 대기오염 연구

과거 10여 년간 우리나라는 전국적으로 온도가 증가하고 있었으며, 대도시 지역은 더 빠른 온도 상승을 보였고 이에 따른 중부 내륙 대도시를 중심으로 오존 농도가 통계적으로 유의한 높은 상관관계를 가지고 증가하고 있음을 확인할 수 있었다 (배현주, 윤대옥 외, 국립환경과학원 2011). 이러한 결과는 미래에 온도 증가가 지속된다면 중부 수도권지역의 우리나라 온난화에 의한 오존 증가가 지속적으로 발생할 수 있음을 예측하게 하는 결과로 중요한 의미를 가진다. 오존과 기상인자 사이의 관계는 매우 복잡한 과정을 통해서 상호 연관되어 있다.

표1. 1999-2009년 간 전국 7대 대도시에서 측정된 대기오염물질의 추세값. (배현주, 윤대옥 외, 2011: 서지훈 )

도시	SO₂(ppb yr^-1)		CO (ppb yr^-1)		NO₂(ppb yr^-1)		O₃(ppb yr^-1)		PM₁₀(μg m^-3 yr^-1)
도시	월평균	연평균	월평균	연평균	월평균	연평균	월평균	연평균	월평균	연평균
서울	-0.04	-0.03	-0.51	-0.50	+18.7	+22.6	+0.68	+0.75	-2.01	-1.80
부산	-0.66	-0.65	-0.72	-0.71	-34.9	-33.8	+0.34	+0.40	-1.50	-1.36
대구	-0.41	-0.40	-0.36	-0.35	-43.4	-42.6	+0.78	+0.89	-2.02	-1.87
인천	+0.01	+0.02	-0.19	-0.19	+47.2	+48.0	+0.74	+0.80	+0.72	+0.90
광주	-0.21	-0.20	-0.25	-0.25	+ 5.0	+ 4.7	+1.08	+1.16	-0.66	-0.56
대전	-0.30	-0.28	-0.76	-0.76	-35.1	-36.5	+0.03	+0.14	-0.70	-0.51
울산	-0.68	-0.66	-0.39	-0.38	+32.0	+33.1	+0.62	+0.69	-0.29	-0.09

* SO₂, NO₂, PM₁₀은 24시간 평균값, CO, O₃는 8시간 최대 농도 평균값을 이용 한 월평균, 연평균 시계열로부터 얻은 농도변화 추세값 (PM10의 경우 2000-2009년 자료 이용)

그림 6. 1999-2009년의 대기오염물질 변화경향. (배현주, 윤대옥 외, 2011)

또한, 표1과 그림6 에서 확인할 수 있듯이 7대 대도시에 대해 미세먼지(PM-10), 이산화황, 일산화질소의 농도는 감소하고 있으나, 오존의 농도는 증가하고 있다. 이산화질소의 경우, 중부 수도권에 대해서 증가하고 있는 특성을 보인다. 이산화질소의 중부지역 증가의 원인으로는 지속적으로 증가하는 에너지 사용 및 이와 연관된 인천과 서해안 발전소의 증축에 따른 것으로 보이나 정밀하게 그 원인을 파악하여야 할 필요가 있다.

지난 2008년 10월에 수도권 지역에서 일평균 미세먼지 농도가 평년 수준과 비교하여 2～3배 높은 상태가 일주일가량 지속되는 미세먼지 고농도 현상이 발생하였다. 미세먼지는 낮은 농도라도 폐․심장혈관 관련 질환에 주요한 위험 원인이 되며, 특히 어린이, 노인, 호흡기 질환자에게 그 유해성이 크다. 이러한 미세먼지 고농도 현상은 과거에도 수 차례 발생하였는데, 대부분 에너지 사용량과 교통량이 증가하고 중국에서의 지속적인 산업화에 따른 월경 오염물질의 유입량이 증가한 것에 의한다. 또한, 미세먼지 고농도 현상은 특정한 기상/기후 하에서 더욱 잘 발달할 수 있다.

2007년 발간된 「수도권 사업장 대기오염물질 총량관리제 업무 편람」에 따르면 서울의 미세먼지 농도는 OECD 국가들의 주요도시에 비해 2～3배가량 높으며, 수도권 지역의 오염물질 배출 사업장들의 미세먼지 기준 초과 횟수도 연간 700여 건에 이르는 것으로 나타났다. 뿐만 아니라, 수도권 지역의 미세먼지로 인한 조기사망자 수가 연간 10000여 명으로 추산되며 (경기개발연구원, 2003), 대기오염으로 인한 사회적 피해비용도 연간 10조원에 이르는 것으로 추정되고 있다 (한국환경정책평가연구원, 2002).