생물성 연소에 의한 단기체류기후변화원인물질 발생특성과 AI를 활용한 활동자료 추정 및 대기질 영향 연구 = A Study on the Emission Characteristics of Short-lived Climate Forcers from Biomass Burning and the Impacts on Air Quality using AI-Driven Activity Data and TAPM

국문 초록 (Abstract)

국제사회는 전 지구적인 기후변화 문제에 대응하기 위해 2015년 유엔기 후변화협약 파리협정을 통해 산업화 이전 대비 1.5℃ 상승 억제 노력에 합 의하였다. 이에 각 당사국은 국가감축목표를 바탕으로 온실가스를 감축하 기 위한 체계적인 관리와 대응책을 마련하고 있으며, 최근에는 온실가스 외에 단기체류기후변화원인물질(SLCFs)에 대한 대응이 중요해지고 있다. SLCFs는 인간 활동에 의해 배출되어 직․간접적으로 기후변화에 영향을 미 치지만, 대기 중 체류시간이 짧아 적극적인 관리를 통해 기후변화를 완화 할 수 있다는 점에서 중요한 물질이다. SLCFs 배출원 중 하나인 생물성 연소는 주로 노천에서 이루어지며 적절 한 관리가 부족한 경우가 많다. 연소과정에서 불완전연소를 수반하기 때문 에 미세먼지와 CO를 포함하는 SLCFs가 다량 배출된다. 또한, 농촌지역은 농 작업 환경과 주거지가 공존하기 때문에 인근 농작물과 거주민에 미치는 영 향이 크다고 평가되어 영농부산물 소각 관리와 주변 대기질 영향 분석을 통 한 체계적인 관리가 필요하다. 본 연구는 영농부산물 소각으로 인해 발생하는 SLCFs의 배출 특성과 주변 대기질 영향을 분석하였다. 노천소각 조건을 모사한 배출량 측정 시스템을 구축하여 두류 영농부산물 소각 시 배출되는 SLCFs(미세먼지, CO, NOx)의 배출계수를 산정하였다. 배출량 산정을 위한 활동자료 구축을 위해 농업 관 련 통계자료를 분석하여 AI 기반의 STL-Attention-LSTM 모델을 구축하였고, 이를 기반으로 2030년 두류 소각률을 추정하였다. 대기확산모델(TAPM)을 통 해 두류 영농부산물 소각으로 인한 주변 대기질 영향을 분석하였다. 두류 영농부산물 소각에 의한 SLCFs 배출계수 산정 결과, PM-2.5 0.01028kg/kg, PM-10 0.01113kg/kg, CO 0.07738kg/kg, NOx 0.00246kg/kg으 로 나타났다. 2.5㎍ 이하 입자의 분포율은 81%로 나타나며 CAPSS에서 제 시하고 있는 두류 2.5㎍ 이하의 입자크기 분포율(34%)과 비교하여 약 2.4배 발생하고 있는 것을 확인하였다. AI 기반의 소각률 추정 모델을 통해 2030년의 소각률을 추정한 결과, 2022년 소각률 대비 약 38% 감소한 15%인 것으로 나타났다. AI 기반 모델 을 통해 추정한 2030년의 소각률을 적용할 경우, 단위 면적당 두류 영농부 산물 소각량은 22.95g/㎡으로, 2022년 대비 배출량이 약 78% 감소함을 확 인하였다. 연구 대상 지역을 중심으로 TAPM을 통해 두류 영농부산물 소각으로 인 한 주변 대기질 영향을 분석한 결과, 두류 영농부산물을 소각하지 않을 때 와 비교하여 PM-2.5 기준 3월 0.77㎍/㎥, 10월 0.94㎍/㎥, 11월 4.93㎍/㎥ 증 가하였다. 배출계수와 소각률에 대해 CAPSS에서 제시하고 있는 값과 본 연구에서 산정한 값을 적용한 결과, SLCFs의 최대농도(11월 기준)는 CAPSS 자료를 적용하였을 경우, PM-2.5 26.13㎍/㎥, PM-10 30.64㎍/㎥, NOx 15.15ppb, 본 연구의 자료를 적용하였을 경우, PM-2.5 25.99㎍/㎥, PM-10 30.46㎍/㎥, NOx 15.14ppb로 나타나 후자가 전자보다 PM-2.5 0.14㎍/㎥, PM-10 0.18㎍/㎥, NOx 0.01ppb 감소하는 것으로 나타났다. 본 연구는 영농부산물 소각에 따른 미세먼지, CO, NOx 배출계수를 개선 하고, 소각률 추정을 통해 SLCFs가 주변 대기질에 미치는 영향을 평가하였 다는 점에서 의의가 있다. 본 연구 결과는 생물성 연소 분야의 인벤토리 정확도를 높이고, 맞춤형 대기질 관리 정책 수립에 기여할 수 있는 기초자 료로 활용될 것으로 기대된다. 주요어: 단기체류기후변화원인물질(SLCFs), 생물성연소, 영농부산물 소각, 인공지능, STL-Attemtion-LSTM, 대기질영향, TAPM

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론
• 제1절 연구의 배경 및 필요성· 1
• 제2절 연구의 목적· 4
• 제3절 연구의 내용 및 범위 6
• 제2장 이론적 고찰
• 제1절 생물성 연소 분야 SLCFs 인벤토리 9
• 제2절 AI 알고리즘· 24
• 제3절 대기확산모델 30
• 제4절 선행연구 분석 36
• 제3장 연구 방법
• 제1절 영농부산물 소각에 의한 SLCFs 분석 및 측정 방법 45
• 제2절 영농부산물 소각에 의한 SLCFs 배출량 산정 방법· 49
• 제3절 소각률 추정을 위한 AI 기반 모델 구축 방법 52
• 제4절 TAPM 모델을 통한 주변 지역 대기질 영향 분석 방법 63
• 제4장 영농부산물 소각에 의한 SLCFs 배출계수 개발
• 제1절 영농부산물 소각 시스템 구축 73
• 제2절 영농부산물 소각에 의한 SLCFs 배출 특성 81
• 제3절 영농부산물 소각에 의한 SLCFs 배출계수 개발· 85
• 제5장 AI 기반 소각률 추정 및 주변 지역 영향평가
• 제1절 AI 기반 소각률 추정 모델 구축을 위한 입력변수 전처리· 95
• 제2절 AI 기반 소각률 추정· 102
• 제3절 TAPM 모델을 이용한 2030년 SLCFs 주변 지역 대기질 영향 분석 118
• 제6장 결 론
• 제1절 연구 요약· 129
• 제2절 연구의 한계 및 시사점 132
• 참고문헌135
• 부 록 141
• Abstract 149