국가 기후변화 표준 시나리오와 대기오염물질 배출 저감정책을 적용한 오존농도 분석 연구 = Analysis of Ozone Concentrations under National Standard Climate Change Scenarios Based on Shared Socioeconomic Pathways and Air Pollutant Emission Reduction Policies

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study quantitatively analyzed the impact of temperature rise due to climate change on the effectiveness of air quality policies by evaluating changes in ozone concentration in Seoul based on scenarios. Based on the SSP5-8.5 scenario, a 1.5℃ temperature rise condition and an emission reduction scenario reflecting the precursor reduction rates of ozone presented in the “3rd Comprehensive Plan for Air Quality Improvement (2023–2032)” were applied separately and in combination. Through this, the study aimed to assess whether the effectiveness of air quality policy can be maintained under climate change conditions. As a result of the analysis, even when only the Emission Reduction scenario was applied, ozone concentrations increased in most areas of Seoul, showing that in VOCs-limited conditions, NOx reduction can actually increase ozone concentration. In the Temp Up Scenario, the average ozone concentration increased by about 1 ppb, the maximum ozone concentration rose by more than 10 ppb, and the number of exceedances of the 1-hour air quality standard increased by approximately 75%. In the Temp Up + Emission Reduction Scenario, the average ozone concentration increased by 8.6 ppb, the maximum ozone concentration rose by 33 ppb, and the number of exceedances of the 1-hour air quality standard increased about 2.85 times. A comparison of the daily maximum 8-hour average ozone concentration and the number of exceedance days showed that while the Base Scenario had a daily average of 38.7 ppb and 7 exceedance days, the Temp Up & Emission Reduction Scenario had an average of 52.8 ppb and 12 exceedance days. Notably, the average ozone concentration during exceedances of the daily maximum 8-hour standard also increased from 72.1 ppb to 77.2 ppb. This indicates that temperature rise promotes an increase in ozone concentration in diurnal variation, leading to higher exposure levels. It suggests a continued increase in health risks due to exposure to high ozone concentrations. An analysis of the effect of temperature change under the same emission reduction conditions of the air quality policy also showed increases in average and maximum ozone concentrations and exceedance frequency, indicating that temperature rise can partially offset the effects of the policy. This study has limitations such as the unavailability of detailed government implementation plans, regional limitation to Seoul, and a relatively conservative assumption of temperature rise, and additional quantitative analysis on temperature sensitivity is needed. Nevertheless, by integrating and analyzing the quantitative interaction between climate change scenarios and air quality policies, this study has academic and policy significance in that it provides a scientific basis for future policy design that integrates climate change response and air quality improvement. Furthermore, this study highlights the need for an integrated climate-air policy to simultaneously achieve greenhouse gas reduction and air quality improvement.

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 기후변화로 인한 기온상승이 대기환경정책의 실효성에 미치는 영향을 정량적으로 분석하고자, 서울시를 대상으로 오존농도 변화를 시나리오 기반으로 평가하였다. SSP5-8.5 시나리오를 기반으로 1.5℃ 기온상승 조건과 「제3차 대기환경개선 종합계획(2023~2032년)」의 오존 전구물질 감축률을 반영한 배출량 저감 시나리오를 각각 그리고 통합하여 적용하였다. 이를 통해 기후변화 조건 하에서 대기환경정책의 유효성이 유지될 수 있는지를 진단하고자 하였다.
분석 결과, Emission Reduction 시나리오만 적용한 경우에도 서울 대부분 지역에서 오존농도가 상승하였으며, 이는 VOCs-limited 조건에서 NOx 감축이 오히려 오존농도가 증가되는 것을 보여준다. Temp Up 시나리오에서는 평균 오존농도는 약 1 ppb, 최대 오존농도는 10 ppb 이상 상승하였고, 1시간 대기환경기준 초과 횟수는 약 75% 증가하였다. Temp Up + Emission Reduction 시나리오에서는 평균 오존농도가 8.6 ppb, 최대 오존농도는 33 ppb 증가하였으며, 1시간 대기환경기준 초과 횟수는 약 2.85배 늘어났다. 일 최대 8시간 평균 오존농도와 초과 일수를 비교한 결과 Base 시나리오에서는 일평균 38.7 ppb, 초과 일수 7일이었던 반면, Temp Up & Emission Reduction 시나리오에서는 평균 52.8 ppb, 초과 일수 12일로 모두 증가하였다. 특히 일 최대 8시간 평균 오존농도 대기환경기준 기준 초과 시의 평균 오존농도도 72.1 ppb에서 77.2 ppb로 상승하였다. 이는 기온상승이 일변화 상에서 오존농도 증가를 촉진 시킴으로써, 더욱 고농도 오존에 노출되는 것을 의미한다. 이는 고농도 오존 노출로 인한 건강 위해성이 지속적으로 증가할 수 있음을 시사한다.
동일한 대기환경정책 감축 배출량 조건에서의 기온상승 효과 분석 결과 또한 평균 및 최대 오존농도, 초과 빈도 모두 증가하여, 기온상승이 정책효과를 일정 부분 상쇄할 수 있음을 시사하였다.
본 연구는 정책의 세부 이행계획 미공개, 분석 지역의 한정성, 비교적 보수적인 기온상승 가정 등의 한계를 가지며, 기온 민감도에 대한 정량적 분석이 추가적으로 필요하다. 그럼에도 기후변화 시나리오와 대기환경정책 간의 정량적 상호작용을 통합적으로 분석함으로써, 기후변화 대응과 대기질 개선을 통합한 미래 정책 설계에 과학적 기반을 제공한다는 점에서 학술적 및 정책적 의의를 가진다. 나아가 본 연구는 온실가스 감축과 대기질 개선의 동시 달성을 위한 기후-대기 통합정책 수립의 필요성을 제시하였다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 제1절 연구의 필요성 및 목적 1
• 제2절 연구 범위 4
• 제2장 이론적 고찰 7
• 제1절 기후변화 7
• 1. 기후변화 7
• 2. 기후변화 시나리오 8
• 3. 기후전망 10
• 4. 기후정책 11
• 제2절 오존 12
• 1. 오존 정의 및 생성메커니즘 12
• 2. 오존농도 현황 14
• 3. 고농도 오존 발생시 조치사항 19
• 4. 오존관리 정책 22
• 5. 오존과 기후변화의 관계 25
• 제3절 대기질 모델링 시스템 27
• 1. 기상 모델(Weather Research and Forecasting; WRF) 27
• 2. 배출량처리 모델(Sparse Matrix Operator Kernel Emission; SMOKE) 29
• 3. 대기질 모델(Community Multi-scale Air Quality; CMAQ) 31
• 제3장 연구방법 33
• 제1절 시나리오 선정 33
• 1. 시나리오 기간 선정 33
• 2. 배출량 시나리오 선정 35
• 제2절 모델링 체계구축 및 수행조건 39
• 1. 모델링 도메인(domain)의 수평·수직 해상도 설정 39
• 2. 기상 모델(WRF) 수행조건 41
• 3. 배출량처리 모델(SMOKE) 수행조건 44
• 4. 대기질 모델(CMAQ) 수행조건 46
• 5. 모델링 정합도 평가 49
• 제4장 연구결과 및 고찰 52
• 제1절 모델링 결과 정합도 분석 52
• 1. 기상 모델 정합도 분석 52
• 2. 대기질 모델 정합도 분석 56
• 제2절 대기환경 정책효과 분석 64
• 제3절 기온상승에 따른 오존농도 영향 분석 74
• 제4절 기온상승에 따른 대기환경 정책효과 분석 83
• 제5절 대기환경 정책에 온도변화가 미치는 영향 분석 92
• 제6절 고찰 101
• 1. 연구 의의 101
• 2. 연구의 한계점 및 후속 연구의 필요성 102
• 제5장 결론 103
• 참고문헌 105
• 국문초록 112