CALPUFF 모델링

모델 개요 및 프로세스

• 기상입력자료를 생성하기 위해 사업지구 및 기상청 관측자료와 NCEP 재분석 자료를 이용하여 기상모델 WRF를 수행하였으며, WRF 출력결과를 CALPUFF 모델의 초기 기상장 입력자료로 사용함.
• CALPUFF는 크게 3차원 기상장을 생성하는 기상입력 모델인 CALMET
• 대기확산모델인 CALPUFF
• 확산모델의 결과를 정리하는 CALPOST로 구성
• WRF 출력결과를 CALWRF와 CALMET을 통해 자료를 변환하여 CALPUFF 기상 입력자료로 사용함.

 

(1) WRF 개요

 

• 대기질 영향 예측 시 3차원 기상 예측 모델인 WRF(Weather Research and Forecasting)를 수행하여 초기 기상장을 생성함.
• 3차원 기상 수치 모델(WRF)은 기상상태 모사를 목적으로 개발된 모델, 대기질 확산 모델의 기상 전처리 과정만을 활용하는 것보다 더욱 상세하고 신뢰성 있는 기상장을 반영할 수 있음.

WRF 모델의 특성

구분	내용
개발 기관	◦NCAR의 중규모 및 미규모 기상국(MMM) ◦미 국립해양대기센터(NOAA), 예보연구소(FSL) ◦미공군 날씨국(AFWA), 미해군연구소(NRL) ◦오클라호마 대학의 폭풍예보 및 분석센터(CAPS) ◦미연방항공국(FAA) 및 다수 대학의 과학자들이 참여하여 공동 개발
모델 특징	◦최신의 기술이 사용되어 대량의 자료를 병렬 처리 가능 ◦코드는 현업과 연구에 동시에 적용 가능한 개별 모듈 코드로 유지 ◦다양한 물리식 및 물리옵션이 적용 가능 ◦자료동화 시스템 향상 ◦수 m에서 수천 ㎞까지 다양한 해상도 적용 가능
구성	◦WPS : 모델 전처리 과정 ◦WRF-Var : WPS로 생산된 초기 기상정보에 관측값을 내삽, 초기장 개선효과 ◦ARW Solver : 기상 예보 모델링의 핵심 부분, 예보 계산 과정 ◦Post-Processing Graphics Tools : 예보 결과 표출
활용분야	◦연구 및 현업 날씨예보 ◦자료동화 및 모수화된 물리과정 연구 후 모델링, 대기질 모델의 적용 ◦대기-해양 접합 및 이상적인 시뮬레이션(경계층 난류, 대류, 경압파)등 다양한 기상 현상의 적용 및 응용

 

(2) CALMET 개요

• WRF모델에서 생성된 초기기상장은 CALMET을 이용하여 CALPUFF 기상입력 자료를 작성하였고, CALMET은 진단적 모델로서 CARB(California Air Resources Board)의 Sigma Research Corporation에서 개발
•  CALPUFF에서 필요한 기상 요소인 3차원 바람장을 생성하는 기상 전처리 프로그램
• CALMET은 지표 및 고층 바람을 이용하여 산출하는 진단적 바람장 모듈과 지표 위 또는 수면 위 경계층에서의 온도, 혼합고, 안정도등급 등의 여러 가지 요소들을 계산하는 미기상학적인 모듈로 구성
• CALMET은 모델링 영역 내 지형자료와 지표 및 고층기상자료 등의 관측 정보를 반영하여 모델링을 수행함.

(3) CALPUFF 개요

• CALPUFF 모델은 다중 오염물질의 침전, 점·선·면오염원에 대한 지표면의 영향, 산불의 영향, 시정거리 평가, 그리고 장거리 수송 연구와 같은 대기질 모델링 연구의 광범위한 변화를 시공간적 조건에 따라 변하는 바람장의 효과로서 모사할 수 있는 비정상상태의 Lagrangian puff 모델임.
• 시간에 따른 풍향 및 풍속의 변화를 정확히 확산에 반영할 수 있는 장점
• 복잡지형에서의 산곡풍이나, 해안가에서의 해륙풍 순환과 같은 급격한 바람장 변화를 나타내는 지역에 유용하게 적용
• 지표면의 지형 효과를 고려하는 복잡 지형 알고리즘과 지표-해면 온도차에 의해 생성되는 열적 내부경계층을 고려하는 해안가모델을 사용
• 농도 계산방법은 순간적으로 PUFF가 배출되어져 PUFF의 형태가 원형이 된다고 가정하여 계산하는 방법과 원형의 PUFF가 겹쳐진 형태로 계산하는 방법으로 오염물질의 농도를 계산함.

CALPUFF 모델의 특성

구분	내용
모델개요	◦Lagrangian Gaussian Puff Model
사용범위	◦도시 및 농촌지역의 공단 등과 같은 복잡한 오염원 ◦평탄하거나 기복이 있는 지형 ◦평균 예측시간은 1시간부터 1년
입력자료	◦오염원 : 위치, 배출강도, 굴뚝고, 가스배출속도, 굴뚝내경, 배가스 온도, 오염원 표고, 건물직경, 입경분포, 지표면거칠기 ◦기상 : 바람장(CALMET 결과자료) 또는 단일기상자료(시간별 대기안정도, 풍향, 풍속, 기온, 혼합고) ◦예측점 : 평형, 극좌표계, 특정지점예측좌표, 지표고
출력형태	◦입력 변수 ◦시간당 기상자료 ◦상위 50개 최대농도 및 10개 최대농도 ◦예측점에서의 일별‧계절별‧연간 평균농도 텍스트 파일 ◦예측점에서의 일별‧계절별‧연간 평균농도 그리드 파일
오염물질 종류	◦1차 오염물질 및 비반응성물질 ◦반응성물질
연기해석	◦Briggs의 연기상승식 및 Stack Tip Downwash식 사용 ◦Huber & Shulman의 Building Wake Algorithm 사용 ◦Fumigation 적용 가능
수평풍	◦Non Steady - State ◦도시․농촌에 따른 풍속 저감율 적용 ◦단기 예측시 무풍 적용 가능
수직풍속	◦바람장의 구성을 통한 수직풍속 적용
수평확산	◦Turner의 농촌지역 확산계수를 적용 ◦McElroy의 도시지역 확산계수를 적용
수직확산	◦Turner의 농촌지역 확산계수를 적용 ◦McElroy의 도시지역 확산계수를 적용
화학반응	◦반감기를 이용한 오염물질 감쇄효과 고려
물리학적 제거	◦침전과 건‧습식 침강 고려

 

(4) 광화학 모델(CMAQ)

(가) 배출량 모델(SMOKE)

• SMOKE(Sparse Matrix Operator Kernel Emission)는 지역규모의 대기질 모델링에 적용하기 위한 배출량 처리에 효과적으로 사용
• SMOKE는 각 배출원별(점, 선, 면)로 제공되는 연간 배출량 인벤토리를 이용하여 시간별·화학종별·공간별 분배를 통해 대기질 모델에서 필요로 하는 해상도의 배출량 자료를 생성함.
• CO, NOx, VOCs, NH3, SO2 같은 가스상 물질 및 PM-2.5, PM-10과 같은 입자상 물질을 모두 처리할 수 있으며, 수은, 카드뮴, 벤젠, 포름알데히드와 같은 독성물질에 대해서도 자료처리 가능

 

SMOKE 단계별 설명

단계	설명
Inventory Import	◦배출량 인벤토리 자료를 불러옴
Gridding	◦공간분배를 위한 매트릭스 생성
Speciation	◦배출량 인벤토리에 있는 오염물질 모델에서 요구되는 메커니즘에 맞는 모델종들로 분화
Temporal	◦연간 인벤토리 자료를 모델에서 필요한 매시간별 자료로 분배
Laypoint	◦모든 점오염원에 대한 연기상승을 계산
Land use Import	◦자연오염원 처리를 위한 land use 자료를 불러옴
Meteorological Adjustment	◦기온, 운량 등의 기상자료를 이용하여 자연배출량자료를 생성
Merge	◦각 과정에서 생산된 자료를 합쳐 대기질 모델의 입력형태로 만듦

(나) 광화학 모델(CMAQ)

• CMAQ은 1998년 6월에 1차 공식버전이 발표되었고 현재도 활발하게 개선되고 있는 모델로써 다음과 같은 장점을 가지고 있음.
• 모듈구조로 되어있어 각 서브 프로그램간 그리고 각 전처리 단계간의 상호호환이 쉽게 이루어져 기존의 모델처럼 동일하거나 유사한 부프로그램을 필요한 단계마다 다시 만들어야하는 비능률적 측면 지양
• 모델링 영역의 규모가 다양하여 국지규모에서 지역규모 모델링까지 다양하게 동시에 모델링이 가능하며, 여러 가지 오염물질을 동시에 고려
• CMAQ은 6개의 전처리 모델과 주 모델인 화학․수송 모델(CCTM, CMAQ Chemical Transprot Model)로 구성되어 있음.
• 기상장 처리 모델인 MCIP, 배출량 처리모델인 ECIP, 광해리율 산출모델인 JPROC, 초기조건을 생성하는 ICON, 경계조건을 생성하는 BCON, 배출량 처리모델인 ECIP으로 구성되어 있으며, ECIP은 SMOKE(Sparse Matrix Operator Dernal Emission)로 대체하여 사용

CMAQ 모델 개요

구분	내용
모델개요	◦Model-3, Community Multiscale Air Quality
사용범위	◦광화학오염물질의 거동현상 해석 ◦광범위한 영역뿐만 아니라 Nestdown을 이용한 국지규모 가능
입력자료	◦배출량 : 점, 면, 이동, 자연을 포함한 반응에 필요한 모든 배출자료, NO2, SOx, CO, VOCs, PM-10, PM-2.5, NH3를 SMOKE에서 전처리된 NetCDF 형태의 배출자료 ◦기상 : WRF를 이용하여 생성된 중규모 기상장 자료 ◦좌표계 : Lambert Conformal 좌표계 및 Arakawa-C grid구조
출력형태	◦시간별, 오염물질별, 격자별 농도 ◦NetCDF format ◦Modeling log file
오염물질 종류	◦1차 오염물질 및 2차 반응성 오염물질
연기해석	◦Plume IN Grid 해석(SMOKE)
전처리 구조	◦WRF(Weather Research and Forecasting Model) ◦MCIP(Meteorology Chemistry Interface Processor) ◦SMOKE(Sparse Matrix Operator Kernel Emissions Modeling System) ◦ICON(Initial Condition) ◦BCON(Boundary Condition) ◦JPROC(Photolysis Rates Processor)
적용화학반응	◦CB05 Chemical Mechanism
수평확산	◦Turner의 농촌지역 확산계수를 적용 ◦McElroy의 도시지역 확산계수를 적용
수직확산	◦Turner의 농촌지역 확산계수를 적용 ◦McElroy의 도시지역 확산계수를 적용
화학반응	◦반감기를 이용한 오염물질 감쇄효과 고려