연세대학교 월봉 관측소의 돕슨 분광광도계 오존 관측 40년(1985~2024)

1. 서 론

돕슨 UV 분광광도계(Dobson UV Spectrophotometer)는 1928년 C. M. B. Dobson 교수의 제작을 통해 처음 만들어진 이후로, 자외선을 이용하여 오존 감시에 기여하고 있다. 특히 1957~1959년의 국제 지구 물리관측년(international geophysical year)에 돕슨 분광광도계를 통한 오존전량 관측망이 전구로 확대되면서 현재까지 세계기상기구(WMO)의 지구대기감시 조직의 지구 오존층 감시 시스템(Global Ozone Observing System; GO3OS)의 표준 관측기기로 운용되고 있다. 전구 오존 관측망은 염화불화탄소(Chlorofluorocarbons; CFCs)에 의한 오존 파괴 메커니즘과 이로 인해서 발생한 성층권 오존층 파괴에 대해서 그 영향을 관측하는 데에 매우 많은 기여를 하였다(WMO, 1985). 그리고 몬트리올 의정서에 의한 ozone depleting substances(ODSs)의 규제와 농도 감소(Anderson et al., 2000)의 영향에 의해 오존층이 재회복되는 경향을 분석하고 감시하는 데에도 많은 기여를 하였다(e.g., Fioletov et al., 2002; Newchurch et al., 2003; Weatherhead and Andersen, 2006; Balis et al., 2007; Newman et al., 2009). 그 외에도 돕슨 분광광도계는 국제적으로 타 지상 측기나 위성 자료의 비교 검증을 위한 표준 자료로의 활용 연구(e.g., Bernhard et al., 2005; Krzyścin et al., 2021), 한 지점에서의 장기간 연속적인 관측을 통한 지역별 장기 변화 경향 분석 연구(e.g., Svendby and Dahlback, 2002; Chubachi, 2009; Krzyścin and Rajewska-Więch, 2009), 그리고 이러한 활용 연구를 위한 다양한 측기 및 산출 과정에서의 영향력을 교정하는 정확도 향상 연구 등이 이루어졌다(e.g., Wang et al., 2015; Koukouli et al., 2016; Moeini et al., 2019).

이러한 장기간의 협력 속에서 2024년은 오존 관측에 있어서 국제적으로는 최초로 남극 오존홀(ozone hole)을 발견한 지 40주년이 되는 역사적인 시점이다. 오존홀 발견 과정에서는 남극 오존 관측 기지에서 관측한 결과를 Farman et al. (1985)을 통해 학술지로 최초로 출판한 것으로 알려져 있지만, Bhartia and McPeters (2018)에서 언급한 바와 같이 Chubachi et al. (1984, 1985)에서도 일본 남극 기지에서의 관측 자료를 바탕으로 제시되거나 Bhartia et al. (1985)에서 위성을 통해서도 재현했다는 연구가 알려진 바 있다. 다만 이 과정에서 관측 자료의 품질 관리 및 동료 심사(peer-review) 논문의 중요성에 따라 후대에 해당 연구의 대표성의 지위가 바뀌었던 역사가 있다. 이러한 역사적 지위의 변화의 원인은 여러 가지가 있을 수 있으나, 장기간 측기 운영의 신뢰도와 관측 자료 품질 관리에 대한 이해도가 연구 업적에 영향을 크게 끼친 것으로 장기간 관측 인프라의 형성과 함께 관측에 대한 담당 연구진의 이해도의 중요성이 강조된 역사적 사례라 할 수 있다.

이와 동시에 국내에서는 한반도에서 가장 긴 오존지상관측소를 운영한 서울 월봉 오존관측소를 통해 성층권 오존 감시를 시작한 지 40년이 되는 해로서 의미가 깊은 해이다. 국내에서의 돕슨 분광광도계 도입은 1984년 WMO의 지원을 통해 서울 연세대학교에 이루어졌다(instrument number 124; 영국 Ealing 사 제작). 그리고 연세대학교 과학관에 오존관측소를 설치하여 1985년부터 매일 오존전량 관측을 수행하였으며(Appendix), 관측 자료는 한반도 오존전량의 감시 및 다양한 활용 연구에 인용되어 발표되어 왔다(e.g., Cho et al., 1989, 2003; Kim et al., 2005; Balis et al., 2007; Park et al., 2012; Kim et al., 2017; Park et al., 2019). 또한 한반도 오존층의 감시를 위한 오존전량의 시계열과 장기 변화 경향에 대해서도 동일 지점에서 Brewer 분광광도계를 통해 관측하는 자외선지수와 더불어 국내 학술지를 통해 최근까지 보고한 바 있다(Kim et al., 2011; Park et al., 2011; Park et al., 2019).

장기간 오존층 감시가 이루어진 서울 연세대학교 관측소는 최초로 도입한 돕슨 분광광도계를 통해 세계기상기구 지구대기감시 전구 오존 관측망의 252번 관측소로 등록되어 현재 모든 관측 자료를 전구 오존층 감시를 위하여 보고를 지속적으로 하고 있다. 또한 장기간 기후 감시를 위한 장기 자료 생산과 품질유지에 최선을 다하여 국제기후변화 협력에 기여하였다. 종관기상관측소를 제외하고는 장기간 한 지점에서 동일 측기를 통해 관측소를 운용한 사례가 국내에서는 매우 희소하기 때문에 40년 간 한 지점에서 운용했던 측기를 소개하고 이로부터 나온 장기적인 관측 자료에 대한 기록을 남기는 것은 매우 중요한 작업이라 할 수 있다. 본 논문에서는 서울 지역 돕슨 분광광도계를 통한 오존 전량의 감시 및 측기 품질과 관측소 운영 관리와 측기의 개선 역사에 대하여 소개하고, 장기 관측 자료를 이용한 연구 사례와 관측 통계를 정리하여 소개하고자 한다.

2. 연세대학교 월봉 오존관측소

Figure 1은 2023년 기준으로 전세계에서 현재 운용중인 돕슨 분광광도계 관측소를 나타낸 것이다(Tully, 2023). 이 중, 서울 서대문구 연세대학교 과학관에 위치하고 있는 월봉(月峰) 오존관측소(37.57^oN, 126.98^oE)는 세계기상기구 지구대기감시(WMO/GAW)의 전구오존관측시스템(GO3OS)의 관측소(station number 252) 중 하나로 등록되어 있으며, 돕슨 분광광도계를 통해 성층권 오존층을 감시하는 역할을 수행하였다. 월봉 오존관측소에 도입된 돕슨 분광광도계는 비교 검정 및 시범 관측 수행 후, 1984년 5월부터 정규관측이 이루어졌으며, 1985년부터의 자료가 공식적으로 연간 자료로 제공하고 있다. 국내에서 가장 오래된 성층권 오존 지상 관측소이며, 이 장소에서 수행한 관측 자료는 일 3회 내외의 관측을 통해 매월 일 대푯값을 포함하여 꾸준히 세계기상기구에 보고가 이루어지고 있다. 일 결과를 바탕으로 하는 한반도의 대표적인 오존전량 관측 지점으로 알려져 있으며, 한반도 상공의 오존층 변화 연구에 활용되어 꾸준히 그 현황과 장기 경향에 대해서 보고가 이루어졌다(e.g., Cho et al., 1989, 2003; Kim et al., 2005; Park et al., 2019).

Fig. 1.

Global distribution of observatories for Dobson spectrophotometer (Tully, 2023).

오존전량 관측뿐 아니라 1986년 2월부터는 오존 연직 분포를 Umkehr 방법(e.g., Dütsch, 1959; Petropavlovskikh et al., 2004)에 의해서 진행하고 있다. 해당 관측 방법은 맑은 날씨에 서로 다른 태양천정각에 의한 산란광의 광경로 변화를 통해 오존연직 분포를 추정하는 방법으로 천정 방향(zenith direction)에서 관측한 산란광을 활용하여 태양천정각이 95^o-60^o (혹은 70^o)가 될 때까지 연속 관측을 통해 추정하게 된다(Cho and Lee, 1990). 이 과정에서 허긴스 흡수선 (Huggins band)에서의 태양 산란광을 이용하게 되며, 구름 등에 의한 산란 효과를 최소화하기 위하여 Umkehr 방법의 관측을 수행하는 동안에는 천정 방향의 구름 유무를 판단하여 관측 자료를 산출하게 된다. 이러한 이유로 Umkehr 방법에 의한 오존 연직 분포는 오전/오후 일 2회만 관측이 가능하며, 연직 해상도 또한 4 km (성층권)-10 km(대류권)로 매우 낮은 편이다. 날씨에 의한 영향이 크기 때문에 상시 관측이 아닌 특별 관측을 통해 수행하여 국내에서는 일 자료가 아닌 연도별 통계자료가 주로 보고되었다(e.g., KMA, 2024).

월봉 오존관측소는 돕슨 분광광도계를 통해 오존 감시를 수행한 이후에 초분광 자외선 및 오존의 동시 관측과 비교 검정을 위하여 1997년부터 브루워 분광광도계(Brewer spectrophotometer; SCI-TEC사 No. 148)도 도입하여 돕슨 분광광도계로부터 관측하는 오존전량에 대해서 상호 비교할 수 있는 관측자료를 생산하고, 자외선지수(UV index)와 자외선 영역(320.1 nm)의 에어로졸 광학두께(aerosol optical depth; AOD)의 자료 생산이 이루어졌다(Kim et al., 2011, 2014). 그리고 자외선지수에 대한 높은 시간해상도 자료를 위하여 UV-Biometer 측기, 에어로졸 광학특성의 관측을 위하여 스카이라디오미터(skyradiometer, PREDE사)와 썬포토미터(sunphotometer, CIMEL 사)를 차례로 도입하여 자외선 및 가시광선 영역의 태양복사 관측을 통한 대기화학성분 및 대기질 감시를 위한 관측 지점으로 널리 활용되었다.

돕슨 분광광도계가 강수 및 바람 등에 의해서 손상 위험이 높은 측기인 점을 감안하여 현재는 2007년 6월에 설치한 오존 관측돔으로 돕슨 분광광도계의 측기와 모든 시스템을 이설하였으며(Kim et al., 2007), 관측돔에서는 오존 관측 스케줄과 연동하여 돕슨 분광광도계의 태양위치 추적과 이를 통한 오존전량 연속 관측, 강수 감지에 의한 관측 중단 등의 시스템이 구축되었으며, 특히 돕슨 분광광도계의 실외 이동을 통한 전도 등의 위험을 회피하게 되면서 관측 기기의 안정도를 높여 최근까지도 오존 감시가 진행되고 있다.

3. 돕슨 분광광도계 검정 및 개조

3.1 돕슨 분광광도계 검정

Figure 2는 돕슨 분광광도계를 이용하여 오존을 관측하는 원리를 나타낸 것이다. 돕슨 분광광도계는 태양 복사를 통해 오존의 흡수 강도를 추정하는 원리를 가지고 측정하기 때문에 정확한 태양 복사 정보 관측을 장기간 유지하는 것이 매우 중요하다. 특히 돕슨 분광광도계는 Fig. 2b에 나타난 바와 같이 오존 흡수가 강한 파장 영역과 흡수가 약한 파장 영역을 한 개의 파장쌍으로 하여 측정하게 된다. 해당 파장쌍을 정확하게 선택하기 위하여 돕슨 분광광도계에서는 내부의 slit을 통해 선택된 파장의 태양광만 검출기에 도달할 수 있도록 하여 정확한 오존전량 산출을 하도록 한다. 측기에 있는 두 slit을 이용하여 오존의 강한 흡수가 이루어지는 짧은 파장과 흡수가 약한 긴 파장의 자외선의 세기비를 측정하기 때문에 파장 정보에 대한 정확한 정보가 필수적이다. 이를 위해 돕슨 분광광도계는 내부 프리즘과 거울의 각도를 조정하여 자외선 파장을 조절한다. 이 과정에서 내부 프리즘의 위치 조절을 위하여 외부에 Q-lever를 이용하게 되는데 이 Q-lever는 측기 좌우 광학부의 대칭적인 형태로 2개의 lever가 존재한다.

Fig. 2.

(a) Principle of Dobson spectrophotometer to measure the total ozone [originally taken from Miyagawa et al. (1997)] and (b) radiative absorption sensitivity for ozone at the respective wavelength pairs.

Q-lever를 이용하여 좌우 대칭으로 정확한 파장의 자외선이 두 slit을 통과하게 하기 위하여 Q-lever에 대해서 정확한 파장 정보의 투과 여부를 검정과정으로 수행하게 된다. Q-lever의 검정을 위하여 돕슨 분광광도계는 자외선 영역에 선스펙트럼을 가지는 수은램프를 이용하여 관측소에서의 검증을 월 1회 이상 실시하게 되며, 수은램프의 선스펙트럼 정보가 파장에 대해서 일정하다는 가정을 통해 Q-lever로부터 내부 프리즘의 위치 조절이 정상적으로 작동하는 지를 정기적으로 파악하게 된다.

그리고 두 파장 사이의 자외선 세기비 측정에서는 각 파장의 정량적인 빛의 강도를 구하는 것이 아니라 오존 흡수가 약한 파장의 빛에 광학쇄기(optical wedge)를 통해 빛의 강도를 약화시켜 두 파장에서의 빛의 세기가 같을 때의 광학쇄기의 감쇄율을 통해 역으로 두 파장의 세기비를 추정하는 방식을 이용한다. 이 과정에서 내부에 있는 회전 sector에 의하여 광전증배관(photo-multiplier tube; PMT)에 들어가는 빛의 세기를 서로 다른 전류 방향의 전기신호로 변환하여, 출력되는 전류신호가 영점이 되는 지점을 두 파장의 자외선 세기가 같은 것으로 간주한다. 따라서 정확한 파장 정보와 함께 광학쇄기의 감쇄율 특성을 정확하게 추정하는 것이 오존전량을 측정하는 정확도에 결정적이라 할 수 있다.

이를 위해서 투과되는 빛에 대해서 광학쇄기의 위치를 조절하는 R-dial이 존재하며, 이 R-dial은 광학쇄기의 투과율과의 관계식이 사전에 측기 제작 과정에서 제시되어 있다. 돕슨 분광광도계(No. 124) 또한 초기 도입시에 투과율의 관계식이 제시되었으며, 이후에 광학쇄기의 노후화 등에 따라 1999년 3월부터 2000년 3월까지 호주로 수송하여 수리를 진행하면서 현재 사용하는 광학쇄기에 대한 R-dial과 투과율의 관계식을 적용하여 오존 산출에 활용하였다. 그리고 관측을 장기간 진행함에 따라 변화하는 광학쇄기의 투과율 특성은 관측소에서의 표준램프를 이용하여 검정을 진행하게 된다. 표준램프는 알려진 파장별 램프 강도를 통해 측기 제작 과정에서 만들어진 R-dial과 투과율의 관계식 정보와 실제 측기 사이에서의 투과율 인자의 차이를 확인하고 보정하는 데 이용한다.

서울에서는 총 3개의 Quartz Halogen 램프를 표준 램프로 하여 관측소에서 상시 구비하여 검정에 활용하게 된다. 이 중, 1개의 램프는 주 1회 검정에 활용하며, 나머지 2개의 램프는 월 1회 이용하여 주 1회 검정에 활용하는 램프의 노후화를 추적하는 데 활용한다. 이를 통해 자외선 파장의 세기비 강도를 추정하기 위한 검정은 더욱 엄밀한 형태의 검정을 정기적으로 진행하게 된다.

그러나 관측소에서 진행하는 정기적인 검보정 관련 작업 외에 측기의 종합적인 상태를 확인하기 위하여 돕슨 분광광도계를 보다 엄밀하게 검정하는 과정을 정기적으로 실시하게 된다. Park et al. (2024) 에서는 돕슨 분광광도계의 종합적인 상태를 확인하고 검정을 실시하기 위하여 측기 운송 과정이 모두 포함된 과정을 정리한 바 있다. 연세대의 돕슨 분광광도계는 국제 표준 램프를 이용한 검보정을 위하여 총 6회의 해외 반출이 이루어졌으며(Kim et al., 2007; Park et al., 2024), 이 과정에서 세계 기준 측기와의 비교 관측 및 검정 작업을 수행하여 표준기의 수은/표준램프에 의한 측기의 불확도를 세계 기준 측기와 비교하여 보고한 바 있다. 이 과정에서 연세대학교에서 관측하는 측기는 모든 검정 과정에서 오존전량 관측 기준으로 3% 이내의 오차를 가지고 있는 것으로 보고되었으며, 장기간 안정성도 매우 높은 것으로 확인되었다.

3.2 개조 및 자동 관측 시스템화

돕슨 분광광도계를 통한 오존전량의 관측은 자외선 영역에서 오존 흡수가 강한 파장과 약한 파장의 조합을 한 쌍으로 하여 오존에 의한 자외선복사의 강도 차이를 통해 오존전량을 추정하는 원리를 이용한다(e.g., Komhyr, 1980; Cho et al., 1989). 이 과정에서 파장에 따른 자외선 강도에 영향을 주는 요소는 측기의 정확도와 품질을 지속적으로 유지하기 위하여 분광광도계의 자동화 시스템 구축(Miyagawa, 1997, 2004; Kim et al., 2007)을 통해 자료 생산과 품질 관리의 최신화를 수행하였다. 돕슨 분광광도계의 자동화 과정은 기존에 돕슨 분광광도계가 모든 측기의 조작을 수작업으로 진행한 것을 컴퓨터를 통한 자동 제어가 되는 점과 모든 관측 자료가 자동화 제어를 위한 컴퓨터에 저장되는 점이 특징이라 할 수 있다. 자동화 과정은 2004년부터 수행이 되었으며, 일본기상청 고층기상대의 돕슨 분광광도계 아시아 지역 센터를 통해 이루어졌다.

2004년의 1차 자동화는 과거 관측 자료의 데이터베이스화와 돕슨 분광광도계의 관측에 이용하는 측기의 핵심 레버 부품들에 대한 제어를 임시적으로 자동화하는 과정이 이루어졌으며, 2005년 10~11월의 2차 자동화 과정에서는 자동화를 위한 표준 부품들을 돕슨 분광광도계 관측 시스템에 모두 설치하는 작업이 이루어졌다. 두 번의 자동화 과정을 통해 연세대학교 월봉관측소에 대한 검보정 정보가 모두 자동화 시스템에 입력되었으며, 측기의 내부 온습도 상태 정보가 종합적으로 모니터링이 가능한 시스템의 구축과 Q-lever와 R-dial의 자동화 제어 및 정밀도 향상이 이루어졌다. 그리고 관측소에서의 검보정 시스템의 자동화 또한 이루어졌다. 그리고 2006년까지의 3차 자동화 과정을 통해 돕슨 측기 본체의 자동 제어와 데이터베이스화 과정이 모두 완료되었으며, 2018년 최종적으로 월봉 오존 관측소의 돕슨 관측돔과의 제어가 연동되는 작업을 마지막으로 모든 자동화 과정이 마무리되었다. 돕슨 관측돔과의 연동 작업은 태양의 방위각을 추적하는 측기 자세 제어, 강수 감지 센서에 의한 관측 제어 과정, 천정 방향의 구름 감지에 의한 연직분포 관측 자료 재처리 작업 고도화 등이 수행되었다.

이러한 일련의 자동화 과정을 통해 Fig. 3과 같이 오존전량 관측을 위한 돕슨 분광광도계의 외부 형태가 많은 부분이 보강되고 관측 정확도와 안정성 향상을 위한 다양한 외부 모듈들이 추가되었다. 상세한 관측 자동화 모듈과 이들의 설치 및 해체 과정은 Kim et al. (2007)과 Park et al. (2024)에 상세히 기술되었다. 오존전량 및 연직 분포 관측을 위한 자외선 세기비의 관측 샘플링 숫자가 약 10배 정도 늘어났으며(e.g., Kim et al., 2007), 이를 통해 모든 관측의 정확도가 향상되었다. 이러한 관측 정확도 향상은 기존 수동 관측으로 인해 가지고 있던 수동관측자의 숙련도 등의 오차 원인이 제거된 이유로 보여 돕슨 분광광도계의 관측소의 장기간 유지에 많은 도움이 되었다.

Fig. 3.

(a) Early model of the Dobson spectrophotometer, (b) Dobson spectrophotometer in operation on the rooftop of Yonsei University in 1993, and (c) Current observational setup at the Wolbong Ozone Observatory following the installation of the observation dome.

4. 돕슨 분광광도계 40년 연구 현황

5. 돕슨 분광광도계 40년 관측 통계

5.1 오존 전량

오존전량 자료는 서울 지역의 오존층 감시를 위한 자료로 40년동안 일대푯값을 바탕으로 하여 다양한 관측 통계 자료를 만들어냈다. 돕슨을 통한 오존전량 관측은 일관된 정확도를 위하여 초기에는 오존에 대한 대기질량인자(air mass factor)가 1.5~2.5인 범위 안에서의 관측만을 수행하도록 스케줄이 되어 있었으며(Chung, 1996), 이 때문에 오전과 오후에 각각 1회씩 총 2회에 걸쳐서 관측이 이루어졌다(Park et al., 2019). 그러나 자동화 이후에는 오전과 정오, 오후의 관측 일정으로 변경되면서 일 3회 관측을 기본으로 수행되었다. 각 관측 수행 과정에서는 직달일사법(direct sun method; DS)과 천정 산란일사법(zenith sky method; ZS)이라는 두 가지 관측 방법을 하나의 세트로 묶어 수행한다. 이 과정에서 DS 관측을 위한 기상 조건이 아닐 경우에는 ZS 관측으로 2회 실시하여 자료를 생산하게 된다. 강수 등으로 결측이 없는 경우, 총 6개의 일 관측값이 생산되며, 이 중 일 대푯값은 아래의 우선순위에 따라 선택된다.

• 1) DS 관측 자료가 모든 ZS 관측보다 우선한다.
• 2) DS 관측이 있을 경우에는 구름 조건 중 얇은 구름이 없는 경우를 우선한다.
• 3) 1, 2번의 조건으로 여러 개의 관측 자료가 선택될 경우, 대기질량인자가 작은(즉, 태양천정각이 작은) 관측 자료가 우선한다.
• 4) ZS 관측만 존재할 경우에는 구름 상태(구름이 얇거나 운량이 작을수록 우선)와 태양천정각(태양천정각이 작은 경우 우선)에 따라 우선순위가 선택된다.

이렇게 선택된 자료를 통해서 구성한 일 대푯값은 서울 지역 오존전량의 기준자료로 선택되며, 서울 지역의 오존전량과 관련한 모든 연구의 기초 자료가 된다.

일 대푯값은 1985년부터 2024년까지의 총 12,499일의 관측 자료가 존재하며, 결측률은 16.5%에 해당한다. 주요 결측의 원인으로는 하루 종일 강수 등 기상 요인으로 인해 관측이 이루어지지 못하거나, 측기의 장기간 검증을 위하여 관측소에서 장기간 떠나 있던 경우, 혹은 관측소에서의 측기 문제(e.g., 침수 또는 부품 손상)에 의해서 관측을 수행하지 못한 경우에 주로 발생하였다. 총 40년의 관측 기간에서의 일 대푯값의 평균 오존전량은 325.4 Dobson Unit (DU)이며, 이는 2017년까지의 평균값인 324.3 DU보다 1.1 DU이 증가한 값이다(Park et al., 2019). 일 대푯값의 표준편차는 37.8 DU로 이는 2017년까지의 37.5 DU에 비해서는 큰 변화가 없었다. 이를 통해서 볼 때 최근 들어 오존층의 회복 경향으로 평균 오존전량이 유의미하게 상승한 것으로 보인다. 극값에 해당하는 일 대푯값의 최소, 최대값은 각각 225 DU (1994년 7월 29일)와 518 DU (2010년 5월 11일)으로 나타났으며, 이는 과거 Park et al. (2019)에서 보고했던 것과 같다. Figure 4는 일 대표 오존전량에 대해서 빈도수를 나타낸 것으로 최대빈도로 나타나는 범위는 300~310 DU의 범위(1426회)로 나타났다. 그리고 Fig. 4에서 나타나는 바와 같이 분포의 형태는 오른쪽으로 치우친 형태의 분포로 나타난다. 실제 오존전량의 일 대푯값의 왜도(skewness)는 0.692로 나타나 유의미하게 비대칭적인 형태를 하고 있는 것으로 확인되었다.

Fig. 4.

Histogram of daily total column ozone measured by Dobson spectrophotometer.

Figure 5는 1985년부터 2024년까지의 월평균 오존전량을 나타낸 것이다. 40년동안 월별 관측횟수는 954회(2월)~1102회(1월)였으며, 전체적으로 겨울-봄에 걸쳐서 관측횟수가 상대적으로 많고, 여름철에 적은 것으로 나타났다. 이는 장마와 빈번한 강수에 의해 여름철에 결측되는 횟수가 많기 때문이며, 봄철에서 4월에 관측 횟수가 상대적으로 적게 나타나는 이유는 2024년의 관측이 장기간 검증을 위하여 3월 31일까지 수행된 점과 2007년의 자동화 직후에 있었던 초기 시스템의 불안정성으로 인하여 4월에 장기간 결측이 있었기 때문인 것으로 보인다. 40년 기간의 오존전량 월평균 값은 10월에 290 DU에서 3월에 361 DU를 보이며, 오존전량 연교차는 71 DU로 나타났다. 이는 Park et al. (2019)에서 분석한 결과와 연교차에서 1 DU의 변화만이 나타난 것으로 최근의 오존전량의 계절 변화 특성이 장기간 특성과 유사하게 나타나고 있으며, 장기간 관측 자료의 축적으로 인해 관측 자료가 안정적인 기후값으로 인식될 정도로 안정된 자료가 축적된 것으로 보인다.

Fig. 5.

Monthly average of total ozone in Seoul from Dobson spectrophotometer.

Figure 6은 오존전량에 대한 경년 변화를 나타낸 것이다. 서울 지역의 연평균 오존전량은 2010년 극댓값으로 343 DU이 관측된 이후로 극댓값이 갱신되지 않았으며, 극솟값 또한 1988년과 1993년의 312 DU으로 나타나, Park et al. (2019)에서 2017년까지의 관측 결과가 정리된 이후에는 특이할 수준의 오존전량 변화가 나타나지 않았다. 2018년 이후의 오존전량의 연평균은 323~330 DU 범위에서 변화하고 있으며, 이는 기후평년값에 해당하는 값에서 크게 벗어나지 않는 것으로 파악되었다. 다만, 2024년은 관측이 1-3월까지만의 자료가 존재하기 때문에 성층권 역학 수송 과정에 의해 갖게 되는 계절변동성이 연평균 결과에 그대로 남아 있어 향후 경년 변화를 분석하는 과정에서 2024년은 별도의 재처리가 필요할 것으로 보인다.

Fig. 6.

The annual average of total ozone in Seoul from Dobson spectrophotometer from 1985 to 2024.

Figure 7은 오존전량의 일일 변동성을 나타낸 것이다. 오존전량의 장기적인 변동과 다르게 단기적인 변동성은 성층권의 역학 수송 과정의 강도 변화에 의해서 매우 유의미하게 나타나며, 일부는 대류권 오존 생성 메커니즘에 의해서 나타나기도 한다. 오존전량의 일일 변동성은 오존전량의 장기 회복 경향 특성과 다르게 중위도 지역에서의 성층권 역학 수송 과정의 강도를 설명하기 위한 지표로 활용될 수 있다. 오존전량의 일일 변동성은 오존전량의 일 대푯값의 하루 동안의 상대변화량을 나타낸 것으로 정의한다. 40년동안의 일일 변동성은 0.04 ± 7.16%로 나타났다. 일일 변동성은 장기적으로 유의미한 변화 경향이 없을 경우에는 평균적으로는 0에 수렴할 것으로 보이기 때문에 일일 변동성의 평균 변화로 나타난 0.04%는 타당한 수치로 보인다. 다만 최대/최소 일일변동성은 각각 -35.5%와 41.7%로 나타났으며, 이는 Park et al. (2019)에서 보고한 -30.3(최소)와 38.3%(최대)의 일일변동성보다도 큰 값이 극값으로 확인되었다. 이는 전체적으로 성층권 역학 수송 과정 강도가 최근 들어서 강해지면서 오존전량의 단기 변동성도 같이 높아진 것으로 보인다. 또한 일일변동성은 Table 1에서 보는 바와 같이 계절적으로도 유의미한 특성이 나타난다. 가장 변동폭이 큰 시기는 4월로 -31.7~41.7%의 범위를 가지고 있으며, 4월을 중심으로 하여 12~5월까지의 변동성이 큰 것으로 나타났다. 그리고 최소 변동성은 9월로 나타났으며, 9~11월은 12~5월과 비교할 때 변동성이 절반 수준으로 나타났다. 이러한 이유는 전체적으로 성층권에서의 남북 방향의 역학적 수송 효과와 성층권-대류권 물질 교환(stratospheric-tropospheric exchange; STE)은 겨울 반구에서 비교적 강하게 나타나기 때문으로 보인다.

Fig. 7.

Histogram of day-to-day change of total column ozone in Seoul from 1985 to 2024.

Table 1.

Monthly average, standard deviation, and maximum and minimum of day-to-day change at Seoul (1985~2024).

오존전량의 변동성이 겨울-봄철에 걸쳐서 강하게 나타나고 있는 것에 대해서 Table 2와 같이 일일변동성의 상대빈도수 분포를 통해 볼 경우 15% 이상의 변동성을 보이는 빈도가 12~5월에 걸쳐서 4.8~9.3%로 나타나는 반면에 6~11월에는 1.3~4.0%로 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 10% 이상의 변동성으로 확장하더라도 같은 기간에 대해서 각각 9.5~25.6%와 5.0~12.7%로 나타나고 있으며, 이는 STE에 의해서 일어나는 대류권상부/성층권하부(upper troposphere/lower stratosphere; UTLS)의 오존 급증 현상의 빈도수와도 밀접한 연관이 있는 것으로 파악된다(e.g., Hwang et al., 2007b; Park et al., 2012, 2019).

Table 2.

Relative frequency of day-to-day change larger than 10 and 15% at Seoul (1985~2024).

5.2 오존 연직 분포 관측

현재 1986년부터 수행된 Umkehr 관측횟수는 총 3641회로 확인되었으며, 이는 오존전량의 일대푯값에 비해서 약 20% 수준의 관측 자료만이 확보된 것이며, 일부는 일 2회의 관측을 포함하고 있기 때문에 일관측값으로 변환할 경우에는 이보다 더 적은 것으로 보인다. 돕슨 분광광도계를 이용한 오존 연직 분포 관측은 Umkehr 방법의 한계로 인해 태양천정각을 60~70도에서부터 일출(또는 일몰)까지 관측을 연속적으로 수행해야 하기 때문에 관측 횟수의 제한이 있을 뿐 아니라 중간에 구름에 의한 산란광 복사가 달라질 경우에는 산출민감도가 급격히 바뀌면서 산출이 성공적으로 이루어지지 못하게 된다. 특히 일출/일몰 시점에서는 태양천정각에 의한 산란광의 오존고도별 민감도가 급격히 바뀌기 때문에 하루 종일 청천 상태인 경우라도 얇은 구름이 덮일 경우에는 관측에 실패할 수 있다.

이러한 이유로 Fig. 8a에서 보는 바와 같이 Umkehr 방법을 목측으로 수행하던 시점인 2004년 이전까지는 관측 횟수가 매우 적었으며, 자동화가 이루어진 2007년 이후에도 Umkehr 관측 시도 이후에 구름에 의한 영향으로 인한 산출 실패와 돕슨 측기의 이동 과정에서의 문제로 인해 관측 횟수가 증가하지 못하였다. 그러나 완전 자동화가 이루어진 2016년 이후부터는 돕슨 분광광도계의 자동화 운영이 가능해지면서 Umkehr 관측에 대한 자동관측이 고도화되면서 관측 시도 횟수의 증가와 구름 영향에 대한 정밀한 제거 등으로 인해 비약적으로 관측 횟수가 증가한 것을 확인할 수 있다. 다만, Umkehr 관측이 이루어지는 2~3시간 동안 구름에 의한 영향이 전혀 없는 경우는 매우 드물기 때문에 해당 관측에 대해서 사후 보정 및 재처리 작업을 수행해야 하지만, 관측 횟수가 늘어나게 되면서 오존 연직 분포의 자료 확보가 더 수월해진 것을 확인할 수 있으며, 관측 정확도 향상과 관측자에 의한 영향을 최소화하는 돕슨 분광광도계의 자동관측시스템의 원래의 취지에 부합하는 것을 확인할 수 있다 (e.g., Kim et al., 2007).

Fig. 8.

(a) Annual and (b) Monthly observation counts of the Umkehr measurements for ozone profile retrieval in Seoul.

Figure 8b는 동일하게 Umkehr 관측횟수의 월별 결과를 나타낸 것이다. 월별 결과를 통해서 볼 경우, 비교적 건조하고 구름이 없는 날씨가 빈번한 9~4월까지의 기간이 대체로 Umkehr의 관측횟수가 많은 것을 확인할 수 있다. 다만, 겨울철에 비해서 봄, 가을의 관측횟수가 상대적으로 적게 되는데 이러한 이유는 측기가 장기간 관측을 하게 되면서 외부 온도에 노출이 되게 되는데 일교차가 클 경우에 Umkehr 관측을 수행하는 동안에 측기 내부 광학부의 뒤틀림이 유의미하게 발생하게 된다. 이러한 부분을 일부 관측시스템을 통해 보완하기는 하지만, 빈번한 관측을 수행해야 하는 시점에서 해당 현상이 나타날 경우에 Umkehr 관측법을 통한 산출 과정에 필수적인 파장별 산란광 자료 획득 과정에서 파장 편향(spectral shift)으로 인해 불확실성이 커지게 되면서 연직 분포의 산출에 실패하게 된다. 이러한 현상으로 인해 일부 관측의 실패가 일어나 월별 관측횟수 특성이 나타난 것으로 보인다.

Figure 9는 1986년부터의 Umkehr 관측법을 이용하여 산출된 오존 연직 분포 자료를 바탕으로 구성한 서울의 장기기후분포를 나타낸 것이다. Umkehr 방법은 계절별로 관측이 균질하게 이루어지지 않기 때문에 연간 전체 관측자료를 평균한 뒤에 연평균 연직분포 자료를 기후값으로 재평균한 결과이다. 또한 Umkehr 방법론은 구름과 태양천정각별 관측자료의 샘플링 등으로 인한 관측 품질 변화가 매우 많고, 이 경우에 연직분포의 전체 특성이 달라지는 경우가 있기 때문에 산출 결과 중에서 각 층별(10개층) 오존량이 극단적인 분포에 대해서는 제외(각 층별 오존량이 상/하위 10%인 분포는 제외)하여 기후값을 산출하였다. Umkehr 방법론을 통해서 오존 연직 분포를 살펴볼 경우, 대류권의 오존전량은 38.1 ± 6.2 DU로 나타났으며, 이는 오존전량 대비 11.6%가 대류권에 분포하고 있음을 나타낸다. 또한 UTLS 영역으로 주로 정의되는 10~15 km에서는 24.3 ± 4.9 DU로 나타났으며 표준편차가 층별 오존량 대비 20%가 넘는 층은 해당 구간만이 유일한 것으로 나타났다. 이는 STE 현상에 의해 가장 영향을 많이 받는 고도 구간이기 때문에 관측 시기별로의 오존 변동성이 크기 때문으로 보인다. 성층권에 해당하는 15~43 km까지의 영역(3~8번 층)까지의 오존량의 총합은 260.6 DU으로 80% 가량의 오존이 성층권에 분포하는 것을 Umkehr 방법에 의한 연직 분포 결과를 통해 확인할 수 있다(Fig. 9a). 그러나 농도 분포로 보게 될 경우(Fig. 9b), 성층권에서의 고농도 오존 영역은 3~5번 층(15~28 km)에 분포하고 있으며, 이 고도에서는 10.6~16.7 DU km^-1의 농도로 나타나 상부 성층권(1.9~9.0 DU km^-1)에 비해 유의미하게 높은 농도가 분포하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과를 통해 Umkehr 방법에 의한 기후 분포를 통해 오존연직분포의 일반적인 특성이 잘 나타나고 있음을 확인할 수 있다.

Fig. 9.

(a) Climatology of layer integrated ozone profile and (b) ozone concentration profile in Seoul from 1986 to 2024.

6. 요약 및 결론

1985년부터 공식적으로 오존자료의 산출이 이루어진 돕슨 분광광도계는 서울 연세대학교의 월봉 오존 관측소에 위치하여 오존전량과 오존 연직 분포에 대해 40년동안 장기간 관측을 통해 오존층 변화 감시에 대해 한반도의 대표적인 정보를 공유하고 다양한 연구활동에 활용되면서 국제적인 연구 협력에 장기간 기여하였다. 특히 오존홀의 발견으로 인해 오존 관측의 관심이 높아지던 시점과 동시에 관측이 시작된 한반도 유일의 오존 지상관측소이기 때문에 장기간 지상 관측 자료를 이용한 기후 특성 변화 연구와 위성 등의 장기 검증 자료로 다양하게 활용되었다. 관측이 이루어진 40년 동안 측기의 노후화와 특성 변화 등이 관측에 미치는 영향을 최소화하기 위하여 주기적인 검증과 수리를 거쳤을 뿐 아니라 자동화 시스템을 구축하여 노후화되는 측기에 의한 관측 자료의 품질 저하를 최소화하고 장기간 안정된 자료를 확보하도록 다양한 노력이 이루어졌다.

이러한 장기 관측 자료를 바탕으로 하여 돕슨 분광광도계는 한반도의 오존자료의 대표 자료로 활용되어 동아시아 영역에서의 위성을 포함한 다양한 원격탐사 측기의 검보정 표준 자료로 제공되는 데 자주 활용되었으며, 오존층의 장기 기후변화 경향에 있어서 인위적 요인과 자연적 요인을 구분하여 오존층의 장기적인 시간변화 특성에 대한 연구에 활용되었다. 이러한 기후적인 분석뿐 아니라 오존층이 가지는 시공간적 특성을 이용하여 성층권과 대류권 사이의 역학적 수송 과정에 대한 연구와 자외선 복사에 영향을 주는 오존의 특성상 자외선 지수의 현황과 예보를 위한 기초 자료로도 이용되어 다양한 대기복사 및 기후물리 분야에서 그 활용 가치가 높았다. 장기간의 관측으로 일부 노후화가 진행된 상황에서도 오존전량과 오존 연직 분포의 장기 통계 경향을 볼 경우, 오존 회복 경향과 연직 분포 특성이 정확하게 산출되고 있으며, 이는 향후 지속적인 관측을 통해 한반도 오존 연구에 있어서 여전히 중요한 관측 자료의 가치를 가질 것으로 기대된다. 그러나 과거에 매우 다양한 노력을 통해 품질 관리가 이루어진 서울 돕슨 분광광도계는 노후화가 진행되면서 관측 품질이 계속해서 변할 것으로 예상된다. 따라서 앞으로는 돕슨 분광광도계에서 생산되는 자료에 대해서 자체적인 정밀 감시와 추적을 통해 관측 품질을 유지하고, 새로이 구축된 판도라 분광광도계 관측 네트워크와 환경위성에서부터 생산된 오존 자료의 품질을 평가하는 활동에 그 역할이 높아질 것으로 보인다.

Acknowledgments

이 성과는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구입니다(RS-2023-00219830). 또한 연세대학교 월봉관측소는 기상청 지구대기감시 위탁관측소로 지정되어 장비 운영을 위한 재정적 지원을 받았습니다. 오존 관측에 참여한 연세대학교 대기복사연구실 연구원 일동에게 감사드립니다. 무엇보다 성층권 오존 파괴라는 전 지구적인 환경 문제의 긴급성을 1980년대 초반 대한민국 학계에 최초로 알리셨으며, 남극 오존층 파괴가 공식 발표된 1985년 이전에 국내 최초로 연세대학교에 돕슨분광광도계를 기반으로 성층권 오존 감시 체제를 구축하신 고(故) 조희구 교수님께 깊은 감사의 뜻을 전합니다. 연구 과정의 완성까지 함께하지는 못하셨지만, 기력이 다하시는 날까지 자료 분석에 귀중한 조언과 통찰을 아끼지 않으셨던 조 교수님의 업적을 기리며 본 논문을 바칩니다.

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