연속 광산란 센서인 AV를 사용하여 수집한 측정값을 2015년 6월 1일부터 6월 30일까지 미국 대사관과 중국 정부에서 계산한 기준 BAM 데이터를 사용하여 측정한 값과 비교했습니다. 이 조사의 목적은 공기역학적 직경이 2.5마이크로미터(µm) 미만인 공기 중 입자의 질량 농도를 측정할 때 AV 센서의 정확도와 정밀도를 분석하는 것이었습니다. AV 센서와 BAM 센서의 PM2.5 측정값은 일일 및 시간별 상관관계가 각각 0.96, 0.83으로 상관관계가 높은 것으로 나타났습니다. 따라서 AV와 BAM은 PM 2.5의 실시간 연속 모니터링에 배포하기에 적합합니다.

모든 장비는 베이징 차오양 지역에서 운영되었습니다. BAM의 데이터는 안지아로우 로드 55에 위치한 미국 대사관에서 측정되었습니다. AV와 미국 대사관 센서 사이의 거리는 약 0.5km입니다. AV 감지기는 센서가 수집한 데이터가 자동차 교통 공해의 영향을 받지 않도록 주거 지역을 향한 20m 높이의 발코니에 설치했습니다.

모니터링은 2015년 6월 1일(18:00)부터 6월 30일(15:00)까지 총 30일 동안 진행되었습니다. 6월에는 미세먼지의 농도 변화가 심하고 습도 수준이 다양해 미세먼지의 농도를 모니터링했습니다.

데이터를 비교하는 정량적 방법은 그림 1과 2에 표시된 것처럼 시계열 플롯을 사용하여 데이터의 정밀도를 시각적으로 파악하는 데 사용되었습니다. 평균 PM2.5 농도는 1시간마다 기록된 데이터에서 계산되었습니다. 두 기기에서 기록된 PM2.5 농도는 약간 달랐습니다. 이는 AV는 광 산란을, BAM은 베타선 산란을 활용하기 때문에 두 기기의 감지 방식이 다르기 때문입니다. 또한 AV와 BAM의 응답 시간이 다른데, AV는 1초마다 농도를 기록하도록 설정한 반면 BAM은 매 시간마다 데이터를 기록합니다.

총 694개의 데이터 포인트가 캡처되었습니다. 평균 PM2.5 질량 농도는 0~250µg/m3의 분포를 보였지만, AV와 BAM의 농도 추세는 비슷하게 나타났습니다.

그림 1: AV 및 BAM을 사용한 시간당 평균 PM2.5 시계열(미국 대사관)
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그림 2: AV 및 BAM을 사용한 시간당 평균 PM2.5 시계열(중국 정부, 농업 전시 센터)

AV와 BAM의 농도를 비교하기 위해 두 가지 통계 분석이 사용되었습니다. 하나는 두 기기의 시간당 차이를 절대 농도와 백분율로 비교하는 것이었고, 다른 하나는 선형 회귀 분석을 사용하여 AV와 BAM을 비교하는 것이었습니다.

상대적 차이는 절대 차이와 미국 대사관의 농도 값을 나누어 계산할 수 있습니다. 미국 대사관의 일평균 측정값과 AV 센서의 일평균 측정값을 비교한 결과, 13.9%의 차이를 보였는데, 이는 (Molenar, nd)에 따르면 광산란 장치의 평균 오차가 약 30~40%로 추정되는 만큼 상관관계가 우수한 것으로 나타났습니다. 상대적인 차이는 PM2.5 에어로졸 매개변수의 자연스러운 변동성과 AV 센서의 산란 효율로 인한 것입니다. 공간적 차이는 측정값의 차이에 추가적으로 기여하는 요소입니다. (PM2.5 측정에 영향을 미치는 요인 참조)

AV와 BAM의 시간당 상대적 차이는 16.1%인 것으로 나타났습니다. 특히 매우 낮은 농도 수준에서 이상값을 무시하면 정확도를 높일 수 있습니다(<8 µg/m3). 농도 수준이 낮을수록 불확실성이 높아집니다.

선형 회귀 분석의 목적은 다양한 농도 범위에 걸쳐 AV와 BAM의 해당 측정값 간의 관계를 탐색하는 것입니다. 회귀 절차는 관계를 설명하는 데 가장 적합한 직선을 결정하고 회귀 계수는 데이터의 상관관계를 설명합니다. 그림 X는 회귀 다이어그램의 비교를 보여줍니다.

AV와 BAM 간의 일일 평균 측정값의 평균 상관 제곱 계수(r2)는 0.959로 나타났습니다. 기울기는 0.9067이었고 평균 차단 횟수는 4.6644였습니다. 기울기가 1에 가깝고 r2가 0.9를 초과하므로 일일 측정값 간의 일치도는 매우 양호합니다.

그러나 시간별 측정값을 기준으로 보면 기울기는 약 0.822, r2는 0.83입니다(그림 4 참조). 시간별 데이터는 일일 측정값에 비해 일대일 비율에서 더 많은 편차를 보이지만, 0.83의 r2는 AV와 BAM의 농도 간에 강한 상관관계가 있음을 나타냅니다.

중국 정부 데이터와 AV 간의 상관관계는 0.93으로 높은 r2 값을 보이지만, 기울기(0.83)가 낮고 절편(9.54)이 높아 일대일 비율 선에서 더 많이 벗어나고 있습니다.

그림 3. 일일 평균 미국 대사관 BAM 데이터와 AV 데이터의 선형 회귀선

그림 4. 시간당 평균 미국 대사관 BAM 데이터와 AV 데이터의 선형 회귀 라인

그림 5. 일 평균 중국 정부 데이터와 AV 데이터의 선형 회귀선 비교

표 1. 입자 광 산란과 베타선 산란의 비교

이 연구와 수치는 보정된 광산란 감지 장치인 에어 비주얼 센서가 PM2.5 농도 수준을 모니터링하는 대체 도구로 유용하다는 것을 보여줍니다. 에어 비주얼 센서의 상대적으로 저렴한 비용에도 불구하고, 본 연구의 결과는 에어 비주얼 측정이 입자 특성 변화와 같은 요인에 영향을 받을 수 있지만 BAM에 비해 (R2=0.959)로 상당히 정밀한 것으로 나타났습니다.

참조:

존 V. 몰레나르. PM2.5 질량 측정의 이론적 분석 기준. 네펠로메트리. 공기 자원 전문가, Inc.