Spatiotemporal variations of NO2 and its driving factors in the coastal ports of China
Zhang, Y., Shi, M., Chen, J., Fu, S., & Wang, H. (2023). Spatiotemporal variations of NO2 and its driving factors in the coastal ports of China. Science of The Total Environment, 871, 162041.
NO2는 중국 해안의 주요 공기 오염원임. 본 논문은 오존 모니터링 장비(OMI) 위성 데이터에 기반하여 Geographically and Temporally Weighted Regression(GTWR) 모델을 통해 2015년-2021년의 NO2 Vertical Column Concentrations(VCDs: 특정 가스의 몰수가 컬럼 단위 면적을 기준으로 지상부터 대기 상층부까지 얼마나 존재하는지)에 영향을 미친 사회경제적 요인을 분석하였음.
NO2는 대기오염혼합물들의 주요 성분 중 하나이며 NO2의 배출을 조절할 필요가 있음. NO2에 대한 조사는 지상의 장비들을 통해 이루어졌지만 장비의 위치적인 분포가 균등하지 못하고 항만 지역에서 떨어져있는 경우가 많았으며 기존엔 도시 단위, 지역 단위로 분석을 하는 경우가 대다수였음.
본 연구가 대상으로 한 중국의 항만은 총 19개로 다음과 같다.
본 연구에서 활용한 데이터는 위성에 탑재된 오존 모니터링 장비로부터 얻은 위성 데이터, 사회경제 데이터(화물처리량, 인위적 NO2배출량 등), 기상데이터 (10m 높이에서의 기상)을 활용함. 변수의 일관성을 보장하기 위해 일일 OMI를 월간 단위로 변환해주었고 데이터의 공간적인 중첩을 피하기 위해 0.05 * 0.05km^2의 공간 해상도로 다시 설정하였음. 다중공선성을 피하기위해 VIF가 10을 넘어가는 경우, 제외하였으며 최종적으로 사용한 변수는 아래와 같음.
NO2농도의 연간 변동성을 정량화하기 위해 natural break 방법을 사용하였음. Natural break방법은 공간정보가 사람이 직관적으로 보기 좋게 분류할 수 있도록 하는 방법론임. 또한, “Moran’s I” 방법을 통해 공간 자기상관성의 존재 여부를 확인(검정) 하기 위해 활용되었음. Moran’s I는 어떤 공간에서 자기상관성이 있는가를 검정하기 위한 통계량으로 전체 공간에서 패턴이 있는지 없는지를 확인하기 위해 사용함. 위 방법론 적용 결과는 다음과 같음.
(a)는 2015-2021의 주어진 기간 동안 항만에서의 평균 NO2VCD를 보이며 보하이만 지역에서 높은 NO2를 확인할 수 있음. (b)는 연구 기간 동안 NO2VCD의 변화 추세를 네 가지로 분류하여 보였음. 분류 단위는 “빠르게 감소”,”중간정도의 감소”,”천천히 감소”,”증가” 네 가지로 분류되었으며 Qinhuangdao항만이 10.66%로 가장 빠른 감소세를 보이며, Tianjin(7.7%), Shenzhen(6.96%) 항만 역시 빠른 감소세를 보였음. 반대로 Beibu Gulf항만은 1.46%로 가장 높은 증가를 보였음.
본 논문은 시공간 가중 회귀(GTWR)를 NO2의 농도와 Factors들 사이의 관계를 모델링하는 데에 사용함. 분석을 통해 계산된 계수는 독립 변수에 대한 종속변수의 탄력성을 측정하는데 이는 독립변수가 1% 변할 때 종속변수가 어느 정도 변하는지를 측정한 것임.
1) 기상요인과 NO2 VCD 간의 관계
기상조건은 주로 오염 물질 농도의 단기 변화에 영향을 미치기 때문에, 계수의 연도별 변화는 뚜렷하지 않음. 따라서 2015년부터 2021년까지의 회귀 계수 평균을 시각화해서 나타내었으며 결과는 다음과 같음.
다음으로 NO2 VCD와 사회경제적 요인 간의 관계를 분석한 결과는 아래와 같으며 특히 교통으로 인한 배출, 화물 처리량이 NO2 VCD에 미치는 영향을 중점적으로 다룸. 교통으로 인한 배출의 경우 광저우와 심천 항만에서의 TE의 양의 관계가 1.60과 1.59로 높게 나타났음. CT의 경우, 대부분의 항구에서 NO2VCD의 증가에 영향을 끼쳤으며 북부의 항만에서 크게 변화함. 2015년에는 CT가 1% 증가할 때 NO2 VCD가 17% 증가하였고 2021년에는 76%까지 증가하였음.
결론적으로 본 논문은 2015년부터 2021년까지 중국 연안 항구의 NO2 VCD의 시공간적 변화를 분석하고 사회경제적 및 기상 요인이 NO2VCD에 미치는 영향을 분석하였음. NO2 VCD의 계절 변동성은 겨울엔 높고 여름엔 낮은 특성을 보였으며 북부 항만에서 NO2 VCD가 높게 나타났음. 또한 NO2 VCD에 영향을 미치는 요인들이 시간과 공간에 따라 다름을 보였는데 예를 들어, 높은 풍속과 상대 습도는 보하이만과 주강삼각주 항만에선 완화에 도움이 되는 반면에 다른 지역에선 그 영향이 달랐음.