1991-2020년의 30년 동안 봄철(3-5월)에 북극-동아시아 지역의 지표면 부근 대기 온난화가 북극 진동에 따라 한국의 서울에서 발생하는 황사 사례일의 종관 기상 특성에 미치는 영향을 분석하였다. 북극-동아시아 지역의 봄철 온 난화 증가는 한국의 서울에서 황사 사례일을 6일을 감소시켰고, 황사 사례일의 PM10 질량 농도도 –1.6 g m3 yr1으로 강도를 약화시키는데 기여하고 있었다. 2010년대 한국에서 감소하고 있는 황사 사례일에 대한 동아시아 지역의 종관 기상 특성은 음()의 잠재소용돌이도(Potential Vorticity Unit; PVU)로 나타나는 고기압성 활동이 증가하고 있었다. 또한, 한국에서는 음()의 북극진동지수(Arctic Oscillation Index; AOI)에서 황사 사례일이 증가하고 양(+)에서는 감소하는 정적 편포를 보였다. AOI가 음()인 황사 사례일에서는 중국 대륙에 온난한 고기압이 강화되고 있었다. 더불어 한대 제트의 중심 위치가 북쪽으로 이동하면서 몽골과 중국 북부에서는 한대 기단의 남하에 의한 저기압성 활동이 약해지고 있었다. 황사의 발생이 감소하였을 뿐 아니라 발원지로부터 한국으로 황사를 수송하는 풍속이 감소하고 있었다. 반면, AOI가 양(+)인 황사 사례일에서는 중국 대륙에 광역적으로 온난하고 정체적인 고기압이 위치하고 있었으며, 한대 제트 의 북쪽이 더욱 냉각되어 있었다. 몽골-중국 북부-한국에 이르는 지역에서 하층 대류권의 현저한 풍속 감소가 황사 발 생을 감소시킬 뿐 아니라 장거리 수송을 약화시키는 원인이 되는 것으로 보인다.

2011년 4월 29일부터 30일까지 몽골에서 발원한 황사의 영향으로 우리나라는 4일간 전국적으로 고농도의 황사 가 관측되었다. 본 연구는 몽골의 황사발원지에서 황사 발생 시 기상 조건과 고농도 황사 사례의 원인 및 특성을 알아 보기 위한 것으로, 황사 일기도 자료, 황사감시기상탑 자료, 위성 자료, 후방공기궤적 자료, 관측자료(PM10 및 광학입자 계수기 자료), ECMWF 재분석 자료를 이용하였다. 분석 결과, 종관 분석에서는 몽골 중부지역에 등압선의 간격이 조밀 하게 분포하고 기압경도력이 강해지면서 강풍에 의해 황사가 발원하였다. 황사 발원과 기상 조건의 관계에서 황사 발원 직전에는 10oC 이상으로 비교적 높은 기온을 나타내다 황사 발원과 동시에 급감하였으며, 상대습도는 약 40% 이하의 낮은 값을 지속적으로 나타내다 황사 발원 후에는 50% 이상으로 급격히 높아지며 황사의 발생이 줄어드는 경향을 보 였다. COMS에서 관측된 황사지수는 황사발원지에서는 25 이상을 나타내면서 고농도의 황사가 탐지되었고, 실황에서 목측으로 관측된 지점과 일치하였다. 72시간 후방공기궤적에서는 모두 북서 기류가 한반도로 유입되었고, 5월 2일 흑산 도에서는 PM10의 시간평균농도가 1,025 μg m−3으로 최고 농도를 보였다. 특히 운동학적 연직 분석에서, 상층에서 발달한 기압골과 저기압성 소용돌이도에 의해 지상 저기압이 강화되고 동시에 상승 기류의 발달이 고농도의 황사 발생에 큰 역할을 한 것으로 판단된다.

본 연구에서는 한반도 황사 사례 동안 WRF 기상모델과 SMOKE 배출량모델, CMAQ 및 CMAQ-MADRID 대기질 모델을 이용하여 다양한 황사 발생량 경험식에 대한 PM10의 농도를 추정하였다. 특별히 Wang et al.(2000), US EPA 모델, Park and In(2003), GOCART 모델, DEAD 모델의 5가지 황사 발생 경험식이 중국과 몽골 등의 황사 발생량을 추정하기 위해 WRF-SMOKE-CMAQ(MADRID) 모델에 적용되었다. 일기도, 후방궤적 및 위성이미지 분석에 따르면 한반도로의 황사 수송은 절리저기압(위성에서 콤마형 구름)과 관련된 지상 전선의 뒤쪽에서, 그리고 상층 제트류의 발달에 기인한 파의 정체현상과 함께 상층 골에서의 풍속이 하층으로 전이되는 풍하 바람에 의해 생성되었다. 그리고 WRF-SMOKE-CMAQ 모델링 결과, 황사의 시 공간적 분포에 있어서는 Wang et al.(2000)의 경험식이, 평균 편의 및 평균 제곱근 오차에서의 정확도 부분에서는 GOCART 모델의 경험식이 관측값을 보다 잘 모사하는 것으로 나타났다. 또한 Wang et al.의 경험식을 이용한 황사의 연직분포 분석 결과에서 강한 황사 사례(2007년 3월 31에서 4월 1일 800 μg/m3 이상)의 경우는 황사 수송이 한반도 상공 대기 경계층 내를 통과하였기 때문으로, 약한 황사 사례(2009년 3월 16일과 17에 400 μg/m3 이하)의 경우는 황사 수송이 경계층 위를 통과하였기 때문으로 나타났다. 또한 CMAQ 모델과 CAMQ-MADRID 모델에서의 미세먼지(PM10) 민감도 분석 결과에서는 CMAQ-MADRID 모델이 CMAQ 모델에 비해 한반도를 포함한 동아시아 지역에서 최대 25 μg/m3 정도가 높게 모사되었고, 모델 내 구름 액상과정에 의해서는 최대 15 μg/m3 정도가 제거되는 것으로 나타났다.

겨울철 중국 북부의 황사가 강릉시로 유입되는 2005년 2월 14~16일까지 에어로졸분석기와 복합공기수신 실험기를 사용하여 매 시각별 가스상 물질(CO, NOx, Ox)의 농도와 입자상 물질의 농도(PM₁₀, PM2.5, PM₁)와의 관계를 조사하였다. PM₁₀, PM2.5와 PM₁의 농도가 증가할 때 CO, NOx, Ox 농도가 증가하였다. 2월 14일 20시에 PM₁₀, PM2.5와 PM₁의 최대농도가 133.24㎍/㎥, 53.49㎍/㎥, 43.48㎍/㎥로 나타났으며, CO, NOx, Ox의 최대농도도 각각 14,000ppb, 122ppb, 64ppb로 나타냈다. 15일 01시에 또 하나의 PM10, PM2.5와 PM1의 최대농도가 86.88㎍/㎥, 45.56㎍/㎥, 36.70㎍/㎥로 나타났을 때, CO, NOx, Ox의 최대농도가 각각 15,000ppb, 119ppb, 52ppb로 나타났다. 따라서 가스상물질인 CO, NOx가 응축과정을 통해 입자상물질로 전환되어 PM의 농도의 증가에 큰 기여를 하였다. 낮에는 중국에서 유입된 황사 및 가스와 지역에서 방출된 대기오염물질이 결합되어 동풍의 해.곡풍에 의해 대관령의 동쪽 사면의 열적내부경계층 내를 통해 대관령 정상으로 이동하므로 PM과 가스농도가 낮았다. 그러나 야간에 수송된 오염물질들이 하강경사풍에 의해 대관령에서 강릉으로 이동하여 지역의 차량, 난방보일러의 배기가스와 도로의 비산먼지와 결합되고, 동풍의 해상풍에 의해 시내의 야간접지역전층 내에 갇히게 되어 PM과 가스농도가 매우 높게 나타났다.

황사발생 전과 후인 2003년 10월 26일 00시부터 29일 18시까지 한국의 동쪽 연안에 있는 강릉시에서 PM10, PM2.5와 PM1 매 시각별 분포를 조사하였다. 황사가 고비사막으로부터 유입되기 전까지는 매 시각 PM10 농도가 20μg/m3 내외, PM2.5가 10μg/m3 내외, PM1가 5μg/m3 내외로 매우 낮은 농도를 나타내지만 황사가 유입된 10월 27일 09시부터 28일 05시까지는 PM10의 농도의 범위가 48.20~154.57μg/m3이며, 평상시 비해PM10의 농도가 3.8배로 높았다. 유사하게 PM2.5의 농도는 26.92~93.19μg/m3의 변화폭을 나타내며, 최대 3.4배로 높게 나타났고, PM1의 농도는 19.63~76.05μg/m3의 변화폭을 갖고, 최대 14.1배가 되었다. 황사가 나타나는 동안에는 수송된 황사먼지의 집중적인 유입과 동시에 도로 위의 차량의 밀집과 일몰 후 주거지역에서의 보일러 가동으로 출근시각인 09시와 퇴근시각인 17시에 PM의 고농도가 나타났다. 황사가 관측되기 전에는 미세입자와 극미세입자의 비율을 나타내는 (PM10-PM2.5)/PM2.5는 0.75~7.12, 극미세입자와 초극미세입자의 비율을 나타내는 (PM2.5-PM1)/PM1는 0.23~1.90로 나타났으며, 황사가 관측되는 기간에는 0.60~1.25와 0.21~0.37을 각각 나타내었다. 강릉시에 황사가 나타나기 전에는 2.5μm 큰 입자들이 2.5μm 이하의 극미세입자보다 PM10의 농도에 큰 영향을 주었으나, 황사가 관측되는 기간에는 2.5μm 이하의 극미세입자들이 PM10의 고농도 출현에 크게 기여하였다. 황사가 관측되는 기간에는 지역의 PM고농도에 2.5μm 이상의 큰 입자가 기여하는 일반적인 양상과 반대였다.