라디오존데 및 운고계 자료를 활용한 대기 혼합층 고도 추정 = Estimation of Atmospheric Mixing Layer Height Using Radiosonde and Ceilometer Observations

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The mixing layer height (MLH) is a key parameter for diagnosing turbulent mixing and pollutant dispersion within the atmospheric boundary layer; however, its estimated values can vary substantially depending on the applied methodology and observational data. In this study, 53 high-frequency radiosonde soundings conducted over Seosan, Korea, from 23 to 25 January 2025, together with co-located continuous ceilometer observations, were used to systematically compare and evaluate 12 MLH retrieval methods under identical observational conditions.
The analyzed methods include thermodynamic radiosonde-based approaches (BRM1, BRM2, PM1, PM2, Heffter, and Liu–Liang), gradient-based methods (PTg, RHg, qg, and Ng), a ceilometer-based MLH (QC_MLH), and an ERA5 reanalysis-derived MLH. The analysis was stratified by time of day (daytime and nighttime), boundary-layer regime (stable, convective, and neutral boundary layers), and PM₂.₅ and PM₁₀ concentration levels. To focus on physically representative mixing layers, cases dominated by aerosol multiple layers or residual layers were excluded, and outliers exceeding ±1000 m relative to BRM1 were removed, resulting in 32 valid cases for the final analysis.
The thermodynamic MLH methods exhibited small biases and errors relative to BRM1, with bias, MAE, and RMSE generally within ±50–150 m, and showed strong - 64 correlations (R > 0.9) under daytime convective boundary-layer conditions. In contrast, the gradient-based methods showed large and inconsistent over- or underestimations, particularly in the presence of multi-layer aerosol structures. The ceilometer-based QC_MLH showed weaker direct agreement with ations with PM ₂.₅ and PM₁₀ concentrations, highlighting its sensitivity to aerosol dispersion depth rather than thermodynamic mixing.

국문 초록 (Abstract)

대기 혼합층 고도(Mixing Layer Height, MLH)는 대기 경계층 내 난류 혼합과 오염물 질 확산을 진단하는 핵심 변수이지만, 적용 기법과 관측 자료에 따라 추정값의 불확실
성이 크게 달라진다. 본 연구는 2025년 1월 23–25일 동안 서산 지역에서 수행된 총 53회의 고빈도 라디오존데 집중관측 자료와 동기간 연속 운영된 운고계(ceilometer) 관 측을 활용하여, 총 12개의 MLH 추정 기법을 동일한 관측 조건 하에서 체계적으로 비교·분석하였다. 분석 대상에는 라디오존데 기반 열역학적 기법(BRM1, BRM2, PM1, PM2, Heffter, Liu–Liang), 기울기 기반 기법(PTg, RHg, qg, Ng), 운고계 기반 QC_MLH, ERA5 재분석 기반 MLH가 포함되었다. 분석은 시간대(주·야간), 경계층 유형(SBL·CBL·NBL), PM2.5·PM10 농도 조건으로 세분화하였다. 실제 혼합층 신호에 초점을 맞추기 위해 aerosol multiple layer 및 잔류층(residual layer)을 제외하고, BRM1 기준 ±1000 m 이 상 차이를 보이는 이상치를 제거하여 총 32개의 유효 사례를 선별하였다. 열역학적 기반 MLH 기법들은 BRM1 기준 Bias, MAE, RMSE가 ±50 ~ 150 m 이내 로 유지되었으며, 특히 주간 CBL 조건에서 높은 상관성(R >0.9)을 보였다. 반면 기울기 기반 기법들은 다층 에어로졸 구조 영향으로 일관된 과대·과소 추정과 큰 오차를 나타냈다. 운고계 기반 QC_MLH는 라디오존데 MLH와의 직접적인 상관성은 낮았으나, PM2.5·PM10 농도와는 가장 강한 음의 상관관계를 보여 에어로졸 확산 깊이를 반영하는 특성이 뚜렷하였다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 제 2 장 연구 자료 및 방법 4
• 2.1 연구 자료 수집 및 처리 방법 4
• 2.2 연구 방법 6
• 제 3 장 연구 결과 13
• 3.1 라디오존데 산출 대기 혼합고 비교 13
• 3.2 운고계와 radiosonde 산출 대기혼합고 비교 47
• 3.3 PM 질량농도와 대기혼합고 상관관계 분석 51
• 제 4 장 요약 및 결론 58
• 참고문헌 60
• Abstract 63