The purpose of this study is to estimate hourly Asian dust emission flux in springtime by using the optimized Weather Research Forecasting model (WRF) in order to accurately predict the horizontal flux of Asian dusts. Asian dust emission flux using 5 empirical formulas such as US EPA, Park and Inn, Wang, The Goddard Chemistry Aerosol Radiation and Transport (GOCART) and Dust Entrainment and Deposition (DEAD) were calculated and compared by using classified land-use types and size distribution at various locations in China and Mongolia together with the hourly meteorological elements of the WRF model. As a result, the empirical formula in US EPA among them, which was considered the various conditions such as vegetation, soil type and terrain, was better than the other 4 empirical formulas. However, these formulas were adjusted hourly and vertically in time and space because there was different order and time resolution of dust emissions from original empirical formulas.
A case study was conducted for a severe wintertime dust event that occurred on December 29, 2007 in Korea. Three different dust emission schemes, namely, those of Marticorena and Bergametti (1995), Lu and Shao (1999), and Shao (2004) (hereinafter, referred to MB, LS, and S04 schemes, respectively) were implemented in Weather Research Forecast with Chemistry (WRF/Chem) to assess their performance in simulating wintertime Asian dust events. WRF/Chem simulation reproduces dust emission over Mongolia on December 27 and 28, 2007 and the onset timing of the dust event in Korea well. There is, however, a huge difference among the estimated dust emission amounts for the three schemes; the dust concentration derived by MB scheme is 6 times larger than that from LS scheme. The three schemes overestimate dust concentrations when comparing to observed surface-level $PM_{10}$ mass concentrations in Ganghwa, Seoul, and Yeongwol. This discrepancy is thought to be mainly due to the overestimated model winds and the surface condition such as snow cover fraction, which did not adequately represent the real conditions. Considering frozen soil effect on dust emission, the model results are comparable with observation data: it is important to consider frozen soil in simulating wintertime dust events.
Baengnyeongdo, located within the Asian dust stream, is an ideal place to analyze Asian dust moving into the West Sea due to its low emission of artificial pollutants. Baengnyeongdo is being used to analyze the vertical distribution of dust from the lower atmosphere to the upper layer through remote observation. This study compared the ground concentration of dust between Baengnyeongdo and the metropolitan area, estimated the lag time of transport of Asian dust from Baengnyeongdo to the metropolitan area, and examined the homogeneity of upper winds using the rawinsonde method. The results showed that the cross correlation coefficient was higher and the lag time was shorter for each observation station when the distance from Baengnyeongdo was shorter. The upper wind at Baengnyeongdo is dominated by the west/northwest wind. It is the basis for the correlation of dust concentration between Baengnyeongdo and the metropolitan area located to the east. In the future, upper wind data and Asian dust concentration data over the West Sea and Baengnyeongdo are expected to contribute to research related to the movement and prediction of Asian dust and preparation for Asian dust in the metropolitan area.
Simulation results of Asian Dust Aerosol Model (ADAM) for the period of April 7-9, 2006 were analyzed, comparing with observed PM10 data. ADAM simulated around ten times lower than on-site PM10 concentration in the source regions: Zhurihe, Tongliao, Yushe, Dalian and Huimin. As the result of this low concentration, transported amounts of Asian Dust were under-estimated as well. In order to quantify a forecasting accuracy, Bias and RMSE were calculated. Even though remarkably negative Biases and high RMSEs were observed, ADAM simulation had followed well up the time of dust outbreak and a transported path. However, the emission process to generate dust from source regions requires a great enhancement. The PM10 concentration at the surface reached up to $2,300{\mu}gm^{-3}$ at Baeknyoungdo and Seoul (Mt. Gwanak), up to $1,750{\mu}gm^{-3}$ at KGAWO about 18:00 LST in April 8, respectively; however, ADAM did not simulate the same result on its second peak. It is considered that traveling Asian dust might have been lagged over the Korean peninsula by the blocking of surface high pressure. Moreover, the current RDAPS's 30 km grid resolution (which ADAM adopts as the meteorological input data) might not adequately represent small-scale atmospheric motions below planetary boundary layer.
Many studies of Asian dust have been undertaken to investigate dust sources, their transport and deposition mechanisms, their optical and chemical properties, and their physical characteristics. These studies have used meteorological parameters, optical thickness, and mineral compositions derived from satellite images, lidar, sunphotometer, and other ground-based instruments in East Asia (Chun et al., 2001; Murayama et al., 2001). (omitted)
The intensive dust observation experiment has been performed at Korea Global Atmosphere Watch Center (KGAW) in Anmyeon, Korea during each spring season from 2007 to 2009. Downward and upward hyper-spectral spectrums over the dust condition were measured to understand the hyper-spectral properties of Asian dust using both ground-based Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR) and space-borne AIRS/Aqua. To understand the impact of the Asian dust, a Line-by-Line radiative transfer model runs to calculate the high resolution infrared spectrum over the wave number range of $500-500cm^{-1}$. Furthermore, the radiosonde, a $PM_{10}$ Sampler, a Micro Pulse Lidar (MPL), and an Aerodynamic Particle Sizer (APS) are used to understand the vertical profile of temperature and humidity and the properties of Asian dust like concentration, altitude of dust layer, and size distribution. In this study, we found the Asian dust distributed from surface up to 3-4 km and volume concentration is increased at the size range between 2 and $8{\mu}m$ The observed dust spectrums are larger than the calculated clear sky spectrums by 15~60K for downward and lower by around 2~6K for upward in the wave number range of $800-1200cm^{-1}$. For the characteristics of the spectrum during the Asian dust, the downward spectrum is revealed a positive slope for $800-1000cm^{-1}$ region and negative slope over $1100-1200cm^{-1}$ region. In the upward spectrum, slopes are opposed to the downward one. It is inferred that the difference between measured and calculated spectrum is mostly due to the contribution of emission and/or absorption of the dust particles by the aerosol amount, size distribution, altitude, and composition.
Ambient TSP at four sites in Korea and soil samples from the source regions of Asian Dust in northern China were collected and analyzed for 15 metal components and 6 water-soluble ions to conduct a chemical mass balance (CMB). CMB receptor model was used to estimate the source contribution of TSP during the Asian Dust period, and the model results showed that China soil was the largest source contributor, accounting for 81% of TSP ($458.2{\mu}g/m^3$). Vehicle emission and geological sources contributed to about 8.8% and 4.4% of aerosol mass, followed by sea salt (1.5%) and secondary aerosol (2.9%). Fuel combustion and industrial process sources were found to be relatively minor contributors to TSP (${\leq}1%$). In addition to source contribution estimates, this study tried to identify the origin of Asian Dust observed in Korea. Among all 13 China soil profiles presented in this study, the most adoptable profile which can project the case well was selected and considered as the origin of the applied case.
During a twenty-day period in 2005, a nine-stage Andersen cascade impactor was used to determine the seasonal size distribution of atmospheric particles and its inorganic ion species sampled for 24hr in Iksan city, located southwest of the Korean peninsula. Samples were analyzed for major water-soluble ion species using Dionex-100 ion chromatograph. Average fine and coarse mass concentrations of atmospheric particles were, respectively, 31.4 and $82.6{\mu}g\;m^{-3}$ in spring and 35.8 and $73.4{\mu}g\;m^{-3}$ in fall-winter during the sampling period of 2005, while measurements of 69.8 and 9.9 were obtained in the sampling period of summer, The size distribution of particulate mass concentration during the non-Asian dust period was generally bimodal, whereas the size distribution of particulate mass concentration during the Asian dust period was unimodal due to the significant increase of coarse particles, which originated from long-range transport of soil dust particles from loess regions of the Asian continent. Among ionic species, $SO{_4}^{2-},\;NH{_4}^+,\;K^+$ were mainly distributed in fine particles due to their characteristics of emission sources and gas-to-particle conversion, while $Na^+,\;Mg^{2+}\;and\;Ca^{2+}$ were dominantly in coarse particles. However, $NO_3{^-}\;and\;Cl^-$ were distributed in both coarse particles and fine particles. Although $SO{_4}^{2-}$ was mainly distributed in fine particles, the size distributions of $SO{_4}^{2-}$ in coarse mode were significantly increased during the Asian dust events compared to those during the non-Asian dust period. $Ca^{2+}$ showed the most abundant species in the atmospheric particles during the Asian dust period. $NH{_4}^+$ was found to mainly exist as $(NH_4)_2SO_4$ in fine particles.
동아시아지역을 대상으로 황사배출량 산정 모듈 및 이를 적용한 예보시스템을 개발하였고, 개발된 모형의 화학수송모델링 정합도 및 실시간 예보 운영 평가를 진행하였다. 2015년 화학수송모델링 정합도 평가 결과, 중국 지역에서는 황사 배출량을 적용한 예보 모형이 과대평가하는 기간이 있으나 대부분 지역에서 저평가 되었던 $PM_{10}$ 을 보완하고, 통계수치가 개선되는 것을 확인할 수 있었다. 한국 지역에서는 황사 발생일인 2월 22일~24일, 3월 16일~17일(서울지역대상)에는 황사의 유입을 적절히 모사하였으나 황사가 관측되지 않은 4월에는 황사를 적용한 예보모델이 과대평가하는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 황사를 적용한 예보모형은 한반도 대부분 지역에서 저평가 되었던 $PM_{10}$ 을 보완하고, 통계수치가 개선되는 것을 확인할 수 있었다. 2017년 예보 성능 평가 결과, 황사배출량을 적용한 예보모델은 기존 모델과 비교하였을 때, POD는 대부분 개선되지만, A는 유사 또는 감소, FAR는 대부분 증가하는 경향이 나타났다. 황사배출량을 적용한 예보모형은 동아시아 지역에 저평가 하고 있는 $PM_{10}$ 을 보완하는 장점이 있지만, 황사배출량 산정의 불확실성 등이 내제되어 모델이 측정값을 과대모의하여 오경보율이 높다. 따라서 한반도 지역에 대표 대기질 예보모형으로 사용하기는 부적절하다고 판단된다. 그러나 황사 기간에는 황사배출량 모델의 모사성능은 우수하였으므로, 황사가 발생하는 기간에는 기존 모델과 융합하여 예보관이 예보하는 것이 필요하다고 사료된다.
ACE-Asia (Asian Pacific Regional Aerosol Characterization Experiment) in spring 2001 was a turning point to trigger international research interest on Asian dust (AD). This basically arose from the lack of research on AD, the important natural phenomenon to characterize the Northeast Asia. In contrast, health risk related to AD has been the primary concern in Korea. Although due in part to severe AD events of 2001~2002, research and mitigation measures on AD in Korea are typically based on the assumption that AD events are increasing in frequency and severity. However, contrary to the trend in Korea, the number of AD days and emission amounts of AD in China have decreased since 1980s. This paper reviews the impacts of AD on ambient air quality and variations in toxic substances during the AD event, reflecting the concern in Korea. While a great amount of dust particles flow into Korea during the AD event, a considerable amount of dust particles are locally generated as well. Since dust particles are mixed with toxic substances as they pass over polluted areas, the levels of toxic substances become lower in dust particles that do not pass over polluted areas. Broadening the research scope on AD is warranted to understand the AD as an important natural phenomenon, irrespective of its associated health risk.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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