Study on the Impact of Breeze Pattern on Dispersion Characteristics of Air Pollution : 국지풍 순환 패턴에 따른 대기오염확산 특성에 관한 연구 :

Rajib Pokhrel

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자료유형: 학위논문

저자정보: Rajib Pokhrel (인천대학교, 인천대학교 대학원)

지도교수: Heekwan Lee

발행연도: 2013

저작권: 인천대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2013

Study on the Impact of Breeze Pattern on Dispersion Characteristics of Air Pollution : 국지풍 순환 패턴에 따른 대기오염확산 특성에 관한 연구

Rajib Pokh , el 토목환경시스템공학과 2013.01 학위논문

2008

Impact of Sea Breeze Event on Air Pollution Dispersion at East Coast of South Korea

Rajib Pokh , el , Doohyun Song 외 1명 한국대기환경학회 학술대회논문집 2008.04 학술대회자료

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해륙풍은 해안 내륙지역과 바다의 온도차이 등과 같은 내?외부적인 요소에 의하여 발생하는 중간규모의 대기순환 현상이다. 해륙풍은 지형적 특성과 토지이용형태, 지표면의 특성, 열섬현상 등과 같은 다양한 요인들에 따라 규모 및 열역학적 구조 변화가 일어난다. 본 연구의 주요목적은 첫째로 복잡한 대기환경 속에서 발생하는 해륙풍 순환구조를 파악하고, 둘째로 해륙풍 수평?수직 범위의 경계를 파악하고, 셋째로 토지이용의 따른 변수 차이에 대한 해륙풍의 변화를 파악, 마지막으로 국지풍 특성에 따른 대기오염 확산 특성을 분석하고자 하였다.
연구방법으로는 AEROMOD와 A2Cflow/A2Ct&D와 같은 모델링 프로그램을 이용하여 서로 다른 조건 속에서 해륙풍의 순환에 대한 수치시뮬레이션과 해안지역에서의 대기확산 현상을 파악하였다. 이를 위하여 기상청에서 수집한 AWS자료와 현장 측정한 AWS 자료 및 상층 대기자료를 모델링에 적용하였다.
분석결과 해륙풍은 봄 중순부터 가을 중순까지 빈번하게 발생하였으며, 해륙풍 발생의 최고치는 5월 말부터 7월까지 기록되었다. 이에 따라 A2Cflow/A2Ct&d 모델링도 5월 말부터 7월 기간을 대상으로 수행하여 측정결과와 모델링데이터를 비교 ? 검증하였다. 하루 중 육풍은 오후 10시부터 다음날 오전 8시까지 발생하였으며, 해풍은 오전 10시부터 오후 9시까지 발생하였다. 여름을 기준으로 오전 5시부터 오전 6시 사이에는 약 1.5m/s의 육풍이 발생하며, 오후 2부터 오후3시까지는 약 3m/s의 강한 해풍이 발생하였다. 모델링 분석을 통해 해륙풍의 범위를 확인한 결과, 해안에서부터 내륙까지의 해풍과 육풍의 수평거리는 각각 약 25km~30km, 약 15~20km로 분석되었으며, 바다에서 해안까지의 수평거리는 약 15km로 분석되었다. 또한 해륙풍의 수직거리는 해풍은 700m, 육풍은 300m로 분석되었다
해륙풍의 구조와 특성은 내륙지방의 토지이용 형태와 변수(토양의 거칠기, 알베도, 비열, 인위적 열 등)에 따른 차이가 있었다. 내륙지역에서 열섬현상의 발생 또는 인위적인 열의 발생으로 인하여 열 방출이 50W/m2 이상이 되었을 때, 해륙풍의 속도 및 범위가 증가하였으며, 반대로 내륙풍의 속도와 범위는 감소하거나 사라지는 것으로 분석되었다. 이 밖에 지표면의 알베도와 토양의 비열은 해륙풍의 구조와 경계를 변화시키는데 매우 중요한 요소로 나타났다. 이로 인한 해륙풍의 순환 패턴과 특성의 변화는 연구지역의 대기오염 확산의 중요한 역할을 한다. 또한, 내륙 지역의 형성되는 도시 열섬에 의하여 육풍의 발생기간과 범위가 적어지는 반면에 해풍의 발생기간과 범위가 넓어져 내륙 지역에서의 대기 오염의 농도가 증가되는 것을 볼 수 있다.

Breeze generation is a complicated phenomenon affected by numerous internal and external interactions where surface topography, landuse types, land cover properties, external heat are the major factors controlling the thermodynamic structure of breeze boundary layer. The major objectives of this research are to find the structure of the sea/land (S/L) breeze, to examine the horizontal and vertical boundary of the breeze, to evaluate the effect of urban heat flux including other landuse parameters on the S/L breeze structure, and to find the air pollution dispersion pattern based on the breeze characteristics. Modeling approaches such as Gaussian plume and Lagrangian puff have been also applied for the numerical simulations of the breeze circulation and the air dispersion using different conditions. Meteorological data required for the simulation and analysis have been obtained by monitoring and also taken from the local monitoring stations.
S/L breezes are frequently recorded from mid spring to mid autumn in the study area when the maximum sea breeze hours are observed in late May to July. Therefore further study has been carried out using both observation data and numerical simulation in the study area of Incheon for the same period. Pure S/L breezes were found to be diurnally varied in the coastal area where the land breeze (LB) generates from late night to early morning (10PM ~ 9AM) and the sea breeze (SB) generates during the daytime (10AM ~ 9PM). The LB (approximately 1.5m/s) was observed around 5AM ~ 6AM during the summer time whereas the maximum speed of SB approximately 3m/s was observed around 2PM ~ 3PM. The horizontal penetration lengths of the sea and the land breezes were found to be approximately 25km ~ 30km and 15km, respectively from the coastal line, while the vertical boundary of the pure sea and the land breezes were approximately 700m and 300m, respectively from the ground level.
The S/L breeze structure and its characteristics are varied with the variation of landuse types and parameters. Urban heat island (UHI) or the addition of anthropogenic heat fluxes in the inland area lead to increase the SB hours, the speed of SB and its boundary in the coastal area. The LB hours, the speed of LB and its boundary are found to be decreasing continuously with the increase of heat fluxes. It disappeared when the anthropogenic heat flux reached to 50W/m2 or more in the inland area. In addition, the land surface albedo, soil specific heat are also found significant and limiting factors of S/L breeze structure and its boundaries. The variation of S/L breeze patterns and characteristics play significant role for the air pollution dispersion and deposition in the study area. The amount of air pollution is gradually increased in the inland area with the increase of the SB period and its boundary length, and decrease of the LB breeze period and its boundary length in study area due to the change of landuse types suburban area and urban area.

Contents
1 Introduction 1
1.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Research Objectives and Scope . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 Review of Air Flow and Air Dispersion Mechanism 8
2.1 Planetary Boundary Layer (PBL) . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2 Thermally Induced Wind Circulation . . . . . . . . . . . . . 22
2.3 Urban Heat Island (UHI) and Its Effects . . . . . . . . . . . 27
2.4 Air flow/Dispersion Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.4.1 Introduction of Air Modeling . . . . . . . . . . . . . 32
2.4.2 Gaussian Plume Approach . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.4.3 Lagrangian Puff Approach . . . . . . . . . . . . . . . 37
3 Meteorological Data Analysis and Dispersion Modeling 41
3.1 Study Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.1.1 Introduction of the Study Site . . . . . . . . . . . . . 43
3.1.2 Meteorology of the Study Area . . . . . . . . . . . . 44
3.1.3 Sea/Land (S/L) Breeze Index . . . . . . . . . . . . . 45
3.2 Air Flow in the Planetary Boundary Layer . . . . . . . . . . 49
3.2.1 Vertical Air Profile Monitoring in the PBL . . . . . . 49
3.2.2 Numerical Study of Mixing Height . . . . . . . . . . 51
3.2.3 Numerical Study of S/L Breeze Circulation . . . . . . 52
3.3 Remote Sensing for UHI Study . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.4 Air Dispersion Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.4.1 Governing Equations of HOTMAC/RAPTAD . . . . 63
3.4.2 S/L Breeze Modeling for Ideal Conditions . . . . . . 67
3.4.3 Pure S/L Breeze Modeling . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.4.4 Statistical Analysis for Model Validation . . . . . . . 77
3.4.5 Air Dispersion Modeling Methods . . . . . . . . . . . 78
3.4.6 Parametric Study for S/L Breeze Modeling . . . . . . 85
3.4.7 Air Dispersion Modeling for Breeze Patterns . . . . . 92
4 Results and Discussion 94
4.1 Meteorology of the Study Area . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.1.1 Surface Wind Profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.1.2 S/L Breeze Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.2 Air Flow in the PBL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.2.1 Characteristics of Vertical Wind Profile . . . . . . . . 106
4.2.2 Analysis of Mixing Height . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.2.3 Analysis of S/L Breeze Circulation . . . . . . . . . . 113
4.3 Air Temperature Field using Remote Sensing Data . . . . . 115
4.4 Air Flow/Dispersion Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
4.4.1 S/L Breeze Structure in Ideal Study Domain . . . . . 120
4.4.2 Pure S/L Breeze Structure in the Study Area . . . . 131
4.4.3 Validation of the Modeling Results . . . . . . . . . . 138
4.4.4 Air Dispersion Mechanism in the Study Area . . . . . 142
4.4.5 Influence of Landuse Parameters on S/L Breeze in the
Study Area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
4.4.6 Influence of Breeze Pattern on Air dispersion in the
Study Area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
5 Conclusion 167
A Breeze Structure for Various Heat Fluxes 189
A.1 Breeze Structure for Heat Flux of 0W/m2 . . . . . . . . . . 189
A.2 Breeze Structure for Heat Flux of 20W/m2 . . . . . . . . . . 192
A.3 Breeze Structure for Heat Flux of 50W/m2 . . . . . . . . . . 194
A.4 Breeze Structure for Heat Flux of 100W/m2 . . . . . . . . . 196

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