대기확산모델 기반 역추적 기법을 활용한 축산밀집지역 암모니아 배출계수 평가 = Evaluation of Ammonia Emission Factors in Livestock-Dense Regions Using an Inverse Modeling Approach Based on an Atmospheric Dispersion Model

국문 초록 (Abstract)

암모니아 (NH3)는 가축 분뇨 관리와 비료 사용 등 농업 활동을 통해 주로 배출 되며, 악취 문제와 더불어 2차 미세먼지 (PM2.5) 생성의 핵심 전구물질로 알려져 있다. 국내 NH3 현행 배출계수는 축산 농가의 개별 배출구에서의 환기량과 농도 측정을 기반으로 한 상향식 (bottom-up) 방식에 의존하고 있다. 그러나 이 접근법 은 두 가지 구조적 한계를 지닌다. 첫째, 단일 농가에서 산정된 배출계수를 다양한 축종·시설 구조·운영 조건이 혼재하는 전국 축산시설의 대표값으로 적용하기 어렵 다는 대표성 문제가 존재한다. 둘째, 농가 내부 환기 시스템이 대형화·복잡화됨에 따라 개별 배출구에서의 정확한 측정 자체가 점점 더 어려워지고 있어, 농가 단위 산정의 신뢰성이 낮아지고 있다는 점이다. 이러한 이유로 기존 상향식 방식의 불 확실성을 보완할 수 있는 대안적 배출량 산정 접근법이 요구되고 있다. 본 연구는 이러한 한계를 극복하기 위해, 전라북도 김제시 용지면을 대상으로 AERMOD, CALPUFF, CFD 세 가지 대기확산 모델과 실측 농도자료를 통합한하향식 (top-down) 방식의 NH3 배출계수 산정 체계를 구축하였다. 모델링 과정에서는 실측 기상자료를 입력 조건으로 사용하고, 배출원 자료는 사육두수·시설면적·CAPSS 배출 계수 등을 기반으로 설정하였다. 각 모델의 예측 농도는 봄·여름철 약 2개월간의 현장 관측값과 비교되었으며, FAC2, FB, IA, MG, NMSE, NAD, VG와 같은 통계 지표를 통해 예측 성능을 평가하였다. 모델–실측 비교 결과, 지점별 배출 영향과 풍향 조건에 따라 예측 정확도는 뚜 렷한 차이를 보였다. 배출원과 인접한 지점에서는 대부분의 모델이 NH3 농도의 실측 변동을 잘 재현하였으며, 배출원이 복합적으로 존재하는 지점에서는 실측 농 도의 공간적 변동성이 상대적으로 크게 나타났다. CALPUFF는 비정상 라그랑지안 퍼프 기반 구조로 인해 시간 변화가 크고 배출원이 분산된 지역에서 안정적인 모 의 성능을 보였고, CFD는 배출원의 풍하측 농도 재현성이 특히 우수하였다. AERMOD는 정상상태 가정 특성상 저풍속 조건에서 농도를 다소 높게 추정하는 경향을 보였으나, 전체적으로는 기준을 충족하는 예측 성능을 보였다. 재산정된 암모니아 배출계수는 AERMOD 4.81, CALPUFF 5.64, CFD 5.26 kg·animal-1·yr-1로 도출되었으며, 이는 기존 CAPSS에서 제시하는 암모니아 배출 계수 (6.4 kg·animal-1·yr-1)보다 낮은 수준으로 나타났다. 다만 CAPSS 값에는 토 양시비와 같은 사후관리 단계의 배출이 포함되어 있어 직접적인 비교에는 한계가 존재한다. 이에 따라 본 연구에서는 CAPSS 항목 중 시설 내 배출 (돈사 내·퇴비화시 설·축산분뇨처리시설)만을 포함한 시설기준 배출계수 (2.4 kg·animal-1·yr-1)와도 별도로 비교하였다. 시설배출 기준으로 환산한 경우, 본 연구의 재산정 결과는 AERMOD 1.81, CALPUFF 2.11, CFD 1.97 6.4 kg·animal-1·yr-1로 산정되어, CAPSS 시설 기준 값보다도 다소 낮은 수준을 보였다. 이는 현행 상향식 기반의 배출계수가 특정 시설 조건을 중심으로 산정되어, 실제 지역적 배출 특성이 충분히 반영되지 못할 가능 성을 시사한다. 더불어, 본 연구에서 적용한 하향식 모델링 접근은 실제 축사 내 제한 된 지점에서 수행된 실측의 공간적 한계를 보완함으로써, 다양한 시설·지형·운영 조건 이 공존하는 축산 밀집지역의 배출 특성을 간접적으로 반영할 수 있음을 보여준다. 종합적으로, 본 연구는 대기확산 모델과 실측자료를 연계한 하향식 배출계수 산정 체계를 제시함으로써, 국가 NH3 배출량 인벤토리의 정교화와 암모니아 배 출 저감 전략 수립을 위한 과학적 기반을 제공한다. 장기 연속 관측과 다양한 지 역·시설을 대상으로 한 관측 확대가 이루어진다면, 본 연구의 접근법은 암모니아 배출계수 산정의 신뢰도를 더욱 향상시키는 데 기여할 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Ammonia (NH3) is primarily emitted from livestock manure management and fertilizer application and is recognized as both a major contributor to odor nuisance and a key precursor of secondary particulate matter(PM2.5). In Korea, current NH₃ emission factors rely mainly on a bottom-up approach based on measurements of ventilation rate and pollutant concentration at individual exhaust points of livestock houses. However, this method suffers from two structural limitations: (1) emission factors derived from a limited number of farms cannot adequately represent the wide variability in livestock species, housing types, and management practices nationwide; and (2) increasing facility size and ventilation complexity make accurate exhaust-level measurements increasingly difficult, leading to substantial uncertainty in farm-level emission estimates. These limitations highlight the need for an alternative estimation framework that can complement or refine existing bottom-up emission factors. To address this issue, the present study established a top-down NH3 emission factor estimation system by integrating field observations with three atmospheric dispersion models AERMOD, CALPUFF, and Computational Fluid Dynamics (CFD) for a livestock-dense region (Yongji-myeon, Gimje-si, Jeollabuk-do). The modeling framework incorporated on-site meteorological measurements and source input parameters derived from animal population, facility characteristics, and CAPSS inventory data. Model predictions during two monitoring periods (spring and summer) were evaluated against observed NH3 concentrations using statistical performance metrics including FAC2, FB, IA, MG, NMSE, NAD, and VG. Model–observation comparisons showed that predictive accuracy varied depending on proximity to sources and prevailing wind conditions. Near-source locations exhibited good agreement across models, whereas downwind sites influenced by multiple sources showed larger spatial variability. CALPUFF demonstrated stable performance in areas with distributed emission sources due to its non-steady Lagrangian puff formulation, while CFD exhibited superior reproduction of plume behavior in the immediate downwind zone. AERMOD showed a tendency to overestimate concentrations under low-wind conditions, reflecting its steady-state assumption. Top-down emission factors were estimated as 4.81, 5.64, and 5.26 kg·animal-1·yr-1 for AERMOD, CALPUFF, and CFD, respectively, all lower than the CAPSS default value of 6.4 kg·animal-1·yr-1. Since the CAPSS value includes emissions from manure application to croplands—an off-site, post-management activity not represented in the modeling domain—the applicability of direct comparison is limited. Therefore, an alternative comparison was performed using the CAPSS facility-level emission factor (2.4 kg·animal-1·yr-1), which includes only emissions occurring within livestock facilities (housing, composting, and manure treatment). When referenced to this facility-only baseline, the recalculated emission factors were 1.81, 2.11, and 1.97 kg·animal-1·yr-1 for AERMOD, CALPUFF, and CFD, respectively, again showing values comparable to or lower than the inventory baseline. These findings indicate that the national inventory may overestimate emissions for some facility types and that region-specific, observation-based corrections are necessary. Overall, this study demonstrates that combining atmospheric dispersion modeling with field observations provides a robust top-down framework for deriving livestock NH3 emission factors. The proposed approach improves the representation of actual emission characteristics in livestock-dense regions and offers a scientific basis for refining national NH₃ inventories and developing effective emission mitigation strategies. Continued long-term monitoring and expansion of observations across diverse livestock systems will further enhance the reliability and applicability of this methodology.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서 론 1
• 가. 연구배경 1
• 나. 연구 목적 5
• 2. 연구사 7
• 가. 축산시설의 암모니아 배출 특성과 환경적 영향 7
• 나. 암모니아 배출계수의 산정 체계와 한계 8
• 다. 대기확산모델을 활용한 암모니아 확산 및 배출량 산정 연구 10
• 3. 연구 내용 및 방법 13
• 가. 대기확산 모델링 13
• 1) AERMOD 13
• 2) CALPUFF 14
• 3) CFD (Computational Fluid Dynamics) 16
• 나. 연구대상지역 19
• 다. 암모니아 농도 현장 측정 및 분석 21
• 라. 대기확산 모델 구축 및 암모니아 확산 모의 25
• 1) AERMOD 모델 25
• 2) CALPUFF 모델 30
• 3) CFD 모델 33
• 마. 대기확산 모델의 통계적 검증 및 평가 37
• 바. 하향식 방식을 통한 축산밀집지역의 배출계수 추정하향식 방식을 통한 축산밀집지역의 배출계수 역추적 평가 41
• 4. 연구 결과 및 고찰 44
• 가. 대기확산모델의 NH3 확산 특성 비교 분석 44
• 나. 모델 예측 NH3 농도와 실측 농도의 비교 평가 49
• 1) 봄철 측정기간 동안의 AERMOD·CALPUFF 기반 NH3 예측 농도와 실측값 비교 49
• 2) 여름철 측정기간 동안의 AERMOD·CALPUFF 기반 NH3 예측 농도와 실측값 비교 53
• 3) 풍향 변화에 따른 AERMODCALPUFF NH3 예측 특성 평가 56
• 4) AERMOD와 CALPUFF 모델의 1시간·1일 평균 암모니아 농도 최대값 비교 58
• 5) CFD 모델을 활용한 NH3 예측 농도와 실측값 비교 64
• 다. 대기확산모델 예측 값의 오차 특성 분석 76
• 라. 통계적 성능 지표를 통한 모델 신뢰도 평가 80
• 마. 하향식 접근법 기반의 암모니아 배출계수 산정 83
• 1) AERMOD, CALPUFF, CFD 모델 기반 NH3 일별 배출계수 산정 및 비교 분석 83
• 2) AERMOD, CALPUFF, CFD 모델을 활용한 배출계수 및 배출량 산정86
• 5. 결론 89
• 참고문헌 92
• Abstract(영문초록) 99