Comprehensive long-term trend of the local sources of PM2.5 in Seoul, South Korea = 서울시 PM2.5 국지적 오염원에 대한 종합적인 장기간 경향 분석

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Particulate matter (PM2.5) refers to particles with an aerodynamic diameter of 2.5 μm or less. It originates from various sources and is classified as a Group 1 carcinogen due to its health impacts. South Korea has been consistently implementing PM2.5 reduction policies since 2015; however, the annual average concentrations still exceed the national ambient air quality standards. Therefore, this study aimed to conduct a comprehensive analysis of PM2.5 sources using 12 years long-term monitoring data (2003-2007, 2016-2022) in Seoul, in order to identify management priorities and provide policy recommendations. PM2.5 sources were identified using Dispersion-Normalized Positive Matrix Factorization (DN-PMF), and trend analyses as well as policy effectiveness evaluations were conducted. In addition, source location analyses were conducted using the Conditional Bivariate Probability Function (CBPF), and short-term health impacts of each source on three types of mortality (cardiovascular (CD), respiratory (RD), and mental and nervous system (MD)) were assessed through a time-stratified case-crossover analysis.
Although the mass concentration of PM2.5 has shown a steady decrease due to policy implementation, it continues to increase the risk of RD, indicating the need for ongoing management. Secondary nitrate and mobile source contributions are primarily influenced by emissions from multi-lane roadways. Their contributions were lowest in 2nd SMP period when the effects of policy and social distancing appeared simultaneously. They also increased the risk of CD and RD, highlighting the necessity for continued and targeted management. To address this, policies should be strengthened to reduce traffic volume and lower NOx emissions. The contribution of biomass burning source has steadily decreased due to regulations on illegal rural waste incineration. In recent, the trend is shifting, with restaurant emissions in Seoul emerging as a notable source of impact. However, despite this decrease and shift, increase the risk of all causes of deaths, highlighting the need to establish regulations targeting restaurant emissions. The incinerator, industry, and oil + coal combustion sources showed significant decreases following policy implementation. However, their contributions fluctuated thereafter, revealing policy limitations. Furthermore, incinerator was associated with increased risks of CD and RD; industry was linked to elevated risks across all causes of death; and oil + coal combustion was associated with increased risks of RD and MD. Accordingly, policies should be strengthened to further reduce the total permissible emission volume from incineration facilities. For industry, operating hour regulations need to be established based on the specific characteristics of each industry. Existing regulations on oil and coal combustion should be strengthened, alongside investigating newly emerging sources. The identification of elevated risks association with MD, which previously underexplored in the context of PM2.5 exposure, highlights the importance of ongoing surveillance across a wider spectrum of health outcomes. For more robust evaluations, future research should incorporate both short-term and long-term health impacts.
The comprehensive analytical methods employed in this study is expected to suitable for future long-term analyses based on continuous monitoring. And the findings are expected to serve as valuable reference material for refining and enhancing future PM2.5 reduction policies.

국문 초록 (Abstract)

초미세먼지(PM2.5)는 공기역학적 직경이 2.5 μm 이하인 입자상 물질로, 다양한 오염원으로부터 발생되어 건강에 악영향을 미치는 1급 발암물질이다. 한국은 PM¬2.5를 저감하기 위해서 2015년부터 꾸준하게 저감정책을 시행하고 있지만 여전히 연평균 기준을 넘고 있다. 따라서 본 연구에서는 서울의 12년 장기간 측정자료(2003-2007, 2016-2022)를 활용하여 PM2.5 오염원에 대한 종합적인 분석을 수행해 관리의 우선순위와 정책적 방향성을 제시하고자 하였다. DN-PMF (Dispersion Normalized Positive Matrix Factorization)를 활용하여 PM2.5의 오염원을 도출하고, 오염원 기여도를 토대로 경향분석 및 정책효과를 평가하였다. 또한, CBPF (Conditional Bivariate Probability Function)를 활용하여 오염원 위치와 관련된 분석을 수행하였고, time-stratified case-crossover 분석을 통해 오염원별 세 가지 사망(심혈관계, 호흡기계, 정신 및 신경계)에 미치는 단기 건강영향을 파악하였다.
PM2.5 질량농도는 정책효과로 인해 꾸준한 감소추세가 나타났지만 호흡기계 사망위험을 증가시켜 지속적인 관리가 필요하였다. 이차질산염과 자동차 오염원은 주로 다차선 도로 배출의 영향이 확인되었다. 기여도는 정책의 효과와 사회적 거리두기의 영향이 함께 나타난 2차 계절관리제 기간에 가장 낮았으며, 심혈관계와 호흡기계 사망위험성을 증가시키는 결과가 나타나 관리가 필수적이다. 이를 위해
통행량 및 NOx 배출을 저감할 수 있는 방향으로 정책이 시행되어야 한다. 생물성연소 오염원은 농촌 불법소각 규제에 따라서 꾸준한 기여도 감소가 나타났으며, 서울에서는 불법소각보다는 식당배출에 대한 영향이 나타나고 있다. 하지만 이러한 감소와 변화에도 불구하고 심혈관계, 호흡기계, 정신 및 신경계 사망위험을 증가시키기 때문에 식당배출에 대한 규제마련이 필요하다. 소각, 산업, 기름+석탄 연소 오염원은 정책 시행 후 유의한 감소를 보였다. 하지만 이후 꾸준히 감소하지 못하고 기여도의 변동이 확인되어 정책적인 한계가 있는 것으로 나타났고, 소각은 심혈관계와 호흡기계, 산업은 모든 사망원인, 기름+석탄연소는 호흡기계와 정신 및 신경계 사망위험성을 증가시켰다. 이에 따라 소각은 기존의 소각시설 배출허용총량을 낮추는 방향의 정책이 시행되어야 한다. 산업은 가동시간 규제를 시행하는 기준을 산업 특성에 맞게 구축할 필요가 있다. 기름+석탄 연소는 기존의 정책을 강화함과 동시에 새로운 오염원에 대한 추적연구가 함께 수행될 필요가 있다. 기존에 잘 연구되지 않았던 정신 및 신경계의 위험성이 확인된 것은 건강측면에서 좀 더 다양한 사망원인에 지속적인 관찰이 필요하다는 것을 의미하며, 추후에는 더욱 상세한 평가를 위해 단기영향 뿐 아니라 장기 건강영향을 함께 확인할 필요가 있다.
본 연구에서 활용된 종합적인 분석방법은 추후 지속적인 모니터링에 따라 장기간 분석 연구가 수행될 때 활용하기 용이하며, 연구결과는 추후 PM2.5 저감정책을 보완할 때 참고자료로써 활용될 수 있을 것으로 기대한다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Backgrounds 1
• 1.1. Introduction 2
• 1.2. Purpose of Research 3
• Reference 5
• Chapter 2. Long-term trend of the local sources of PM2.5 in relation to air quality policy implementation 9
• 2.1. Introduction 10
• 2.2. Methods 11
• 2.3. Results 15
• Reference 32
• Chapter 3. Long-term trends of local source locations of PM2.5 using CBPF hybrid receptor model 41
• 3.1. Introduction 42
• 3.2. Methods 43
• 3.3. Results 44
• Reference 61
• Chapter 4. The health impacts of local sources of PM2.5 65
• 4.1. Introduction 66
• 4.2. Methods 67
• 4.3. Results 68
• 4.4. Discussion 78
• Reference 80
• Chapter 5. Conclusion 85
• 5.1. Conclusion 86