이 프로젝트의 원동력은 지역의 공기질에 대한 공항의 기여분을 종합적으로 이해하고 설명하기 위한 모델링 역량의 부족임. 미국 연방항공국(FAA)의 배출량 및 확산 모델링 시스템(Emissions and Dispersion Modeling System, EDMS)은 배출량 및 확산 ？ 미국 환경보호청(USEPA)의 AERMOD을 통해서 ？ 모델링 역량에서 최신 기술을 보여주지만, 반응성 오염물질의 처리와 이차적인 오염물질의 형성과 관련된 한계점이 여전히 존재함. 따라서, 이 프로젝트의 목표는 공항의 공기질 평가를 완전히 지원하기 위해서 측정과 모델링을 결합하기 위한 안내서를 개발하는 것이었음.

이 프로젝트이 범위는 다양한 검토를 수행하고 사례연구를 통해서 측정 및 모델링의 검증을 포함하였음. 평가 결과는 측정된 데이타의 사용과 다양한 모델링 사례가 다루어졌는데, 여기에는 민감도 분석, 추세 평가 및 모델 및 측정결과와의 비교 등이 포함되었음. 이러한 평가는 폭넓게 다양한 모델링 변수들을 포함하였지만, 이들은 검증 또는 불확실성 평가를 포함하지 않았음. 평가를 수행하는데 있어 목적은 공항이 지역의 공기질에 기여하는 부분을 정량화하는데 적용될 수 있는 측정 및 모델링 기법을 평가하는 것이었음.

검토 절차는 적용가능한 배출 및 확산 모델 모두를 시험해보는 것을 포함하였으나, 주로 환경보호청과 연방항공국이 제안한 모델에 중점을 두었음. EDMS와 AERMOD에 더하여, 현재의 역량을 대체하거나 강화하기 위한 잠재력이 있는 것으로 간주된 CAL3QHC와 CALPUFF와 같은 다른 모델들이 고려되었음. EDMS와 CMAQ를 포함한 모델의 선정은 화학적 변환(chemical transformation)을 모델링하고, 이 분야에서 연방항공국의 이전 연구를 활용할 수 있는지에 근거하고 있음. 현장에서의 측정(field measurements)을 위해서, 공항에서의 실제적 적용가능성 ？ 예를 들어, 장비 비용, 필요한 전문지식, 데이타의 신뢰성 및 데이타 량 ？ 에 기반하여 장비가 선택되었음. 모든 장비 및 기법은 환경보호청에 의해 참조되거나 승인된 방법들로 사용되었음.

현장 측정은 와싱턴-듈즈 국제공항(Washington-Dulles International Airport)에서의 사례연구의 일환으로 수행되었음. 공항의 운영, 주요 배출원의 위치 및 지형 등과 같은 결정요인을 고려하여 이 공항이 선정되었음. 측정 작업은 대기 농도 데이타 및 배출원 활동 정보 모두의 수집을 포함하였음. 장비에는, 실시간 가스 분석기(real-time gaseous analyzers), 섬마 캐니스터(Summa canisters), 신축성 튜브 카트리지(draw-tube cartridges), 분진 필터를 가진 미니볼 공기 표본추출기(Minivol air samplers with particulate matter filters), 그리고 회전 드럼 충격기(rotating drum impactors, RDIs)가 포함되었음. 이 장비를 사용하여, 결정요인에 포함된 오염물질과 다양한 유해 오염물질(hazardous air pollutants, HAPs)의 농도가 측정되었음.

계절적 효과와 공항 운영 및 대기 효과(예를 들어, 바람의 방향)와의 상관관계와 같은 추세를 파악하기 위해 측정된 데이타가 평가되었음. 측정된 데이타는 공항이 지역의 대기질에 미치는 영향을 직접적으로 해독가능하도록 하였고 어떤 오염물질에 중점을 두어야할 지에 대한 정보를 제공하였음. 데이타는 또한 모델의 평가를 비교하는데도 사용되었음.

모델의 평가는 EDMS/AERMOD에서 기본적인 데이타 대비 더 높은 신뢰성을 가진 데이타를 사용한 비교를 포함하였음. 모델의 정확성 및 이들의 거동을 더 잘 이해하기 위해 다양한 모델 대비 측정의 비교 및 민감도 분석이 수행되었음.

더 나아가, 새로운 복합 모델링 접근방식이 개발되어 상대적으로 낮은 해상도(4 - 12 km)로 미세분진의 부차적 요소를 제공하기 위해 CMAQ로부터의 대기질 결과와, 공간적으로 더 나은 해상도의 수신기 네트워크(network of receptors)로 주요 오염물질의 농도를 예측하기 위해 AERMOD를 결합하고 적용하였음. 이러한 접근방식에 대한 논리적 근거는, 부차적 오염물질은 공간적으로 더 확산되는 반면 주요 오염물질은 훨씬 지역화된 특성을 가지고 있음. 대기질에 대한 영향 평가를 수행하기 위한 공항 운영의 계획은 이러한 복합 모델링 접근방식을 채택하여, CMAQ와 AERMOD 각각의 모델링 이점을 활용하고 상세한 공간 및 시간적 단위로 모든 오염물질에 대한 종합적인 결과물을 만들어낼 수 있음.

이 프로젝트 하에서 복합 모델링 결과물의 분석에 근거해 볼 때, 미세분진에 대해서는 시간적 변동성이 압도적이었으나, 질소산화물에 대해서는 공간적 변동성이 시간적 변동성보다 더 중요하였음.

이러한 주요 평가에 더하여, EDMS와 CMAQ를 통하여 수행된 배출원 중심의 수신기 모델링 작업을 지원하기 위해서 부차적인 분진 기반의 모델링 분석이 수행되었음. 이러한 수신기 모델링 작업은, 배출원 중심 모델로부터 나온 결과의 일부를 확인하는데 도움이 되는 연구도구로 기능하였음. 또한 이는 모델링의 격차를 파악하는데 도움이 되었음.

완벽함(completeness)을 위해 수행된 부차적인 평가는 비행기의 이착륙 사고를 확실히 하기 위해 도움이 되는 소음 데이타(noise data)의 잠재적 사용에 근거하였음. 더 나은 시간적 신뢰성이 비행기의 운영을 모델링하는데 필수적이라면, 소음 모니터링은 시간에 따른 특정 사고를 파악하기 위해 사용될 수 있음. 그러나, 이는 활주로 근처나 다른 곳에서 발생한 사고를 분리할 수 없다는 점은 제한적이라고 할 수 있음.

다양한 측정 및 모델링 검토, 현장 작업, 데이타 및 모델링 평가 모두로부터의 결과는 일련의 분석 결과 및 정책제안임. 이 프로젝트의 목표에 대한 전반적인 결과는, 사례 연구의 일환으로 검증된 일련의 장비 및 모델이 적합하지만 여전히 개선할 여지가 많다는 것임. 즉, 이 연구는 프로젝트의 목적은 달성하였지만, 모델을 더욱 정확하고 견고하게 개선할 필요가 있다는 것임. 이처럼 차후의 연구에 대한 일련의 제언은 EDMS/AERMOD의 사용에 중점을 두었음. 이러한 제언은, 연구를 수행하는데 요구되는 자원과 모델의 사용 및 정확성에 대한 가중치를 부여함으로써 순위가 매겨졌음.

이 보고서에서 제시된 안내서의 범위는 환경보호청 및 연방항공국에서 가용한 기존의 안내서를 활용하는데 근거하고 있음. 이처럼 이 보고서의 안내서는 공항 및 대기질의 개념에 대한 실제적 지식을 필요로 함. 이 안내서는 상당 부분 이 프로젝트 하에서 수행된 사례연구 평가로부터의 검토와 결과 분석에 근거하고 있음.
 

공항의 대기질 연구를 수행하는데에는 여러 근거가 있는데, 여기에는 “국가환경보호법(National Environmental Protection Act, NEPA)” 하에서 “깨끗한 공기에 관한 법(Clean Air Act, CAA)”, 지역의 환경규제 및 지역사회의 보건 우려 등이 포함됨. 이러한 점에서, 오염물질 농도가 규제에 의해 설정된 한계점 이하라는 것을 보여줌으로써 법률 및 규제의 준수여부를 검증하기 위해 확산 모델링과 대기 측정이 필요함. 국가환경보호법과 같은 규제 법률의 목적은 다양한 조치를 통하여 환경에 대한 위해를 예방하거나 제거하는 것임. 국가환경보호법은 연방항공국과 같은 연방기관들이 이들의 의사결정 과정에서 환경을 포함하도록 하는 것임.

연방항공국에 의해 배포된 현재의 공항 대기질 핸드북은 “민간 공항 및 공군 기지에 대한 대기질 절차(Air Quality Procedures for Civilian Airports and Air Force Bases)”로, 연방항공국 조례 1050과 일치되고 규제 및 의사결정 절차에 대해 이해하기 쉬운 설명을 제공함. 이 안내서는 공항의 대기질 분석에 적용가능한 각 규제에 대한 설명을 제공하고, 평가 절차의 각 단계 ？ 예를 들어, 배출량 목록의 개발, 간접적 배출원에 대한 검토, 국가 대기질 기준(National Ambient Air Quality Standards, NAAQS) 평가 ？ 에 대한 자세한 지시문을 제공함.

공항의 대기질 평가는 복합적이고 자원 집약적일 수 있음. 비용 대비 효과성과 자원의 효율성의 관점에서, 컴퓨터 기반의 모델은 공항이 지역의 대기질에 미치는 영향을 평가하기 위한 주요 기능을 제공함. 하지만 가용한 배출 및 확산 모델의 현재 단점에 근거할 때, 모델의 단점과 제한점을 보완하기 위한 측정 프로그램(measurement programs)이 필수적일 수 있음. 그러나, 모델 예측에서 주요한 단점은 모델에 입력되는 배출량의 불확실성과 관련된 것임. 배출량 계수에 대한 방법론을 개선하고 정확한 공항의 활동 데이타를 가지는 것은 모델 기반의 평가에서 더 큰 신뢰성으로 이어질 것임.

기술적 진보는 더 많고 더 연속적인 측정을 가능케하지만, 이와같은 작업을 수행하는데 필요한 장비 및 전반적인 자원은 여전히 매우 고가이고, 많은 경우에 작업의 수행을 가로막을 정도로 고가의 비용임. 이처럼, 측정을 줄이거나 대체할 수 있는 대기질 모델링 작업의 사용이 공항 운영자들에게 매력적일 수 있음. 그러나, 모델의 사용 또한 자원 집약적일 수 있고 모델의 에러에 취약함.

환경보호청의 확산모델인 AERMOD과 같은 모델에서 사용되는 모델링 기법과 관련된 내재적인 에러에 더하여, 상당한 에러가 입력 데이타와 관련되어 있음: 비행기의 구성 혼합, 보조 동력장치(auxiliary power unit, APU) 사용 시간, 지상 접근차량(ground access vehicle, GAV) 속도, 날씨 데이타, 배출원 위치, 기타 등등. 이러한 데이타셋 모두가 배출량 인벤토리 및 대기 농도의 정확성에 상당한 영향을 미칠 수 있음. 환경보호청과 연방항공국은 모델링 기능을 개선하기 위해 상당한 노력을 해왔지만, 관련된 도구가 더욱 정확하고 견고하여 사용하기에 편하도록하는 작업이 수행될 필요가 있음.

현재, 연방항공국의 배출량 및 확산 모델링 시스템은 공항이 지역의 대기질에 미치는 영향을 종합적으로 분석하는데 제한점을 가지고 있음. 이는 부분적으로 배출량 모델링과 관련되어 있지만, 상당 부분 모델링 시스템 안에서 수행되는 AERMOD에서 화학적 반응을 모델링할 수 있다는 점임. 이처럼 측정과 모델링의 사용을 결합하는 것이 공항의 영향을 더 잘 이해하기 위해 제안됨.
 

이 프로젝트는 다음의 두 가지 연구를 포함하였음:
1.    공항의 대기질 측정 및 모델링 기법에 대한 종합적인 문헌 검토
2.    측정 및 모델링 기법을 평가하기 위한 공항의 현장 데이타 수집

문헌 검토에는 환경보호청의 모델 및 측정 기법(관련된 장비를 포함)이 포함됨. 현장 연구는 광범위한 현장 측정을 수행하기 위해 공항의 선택(와싱턴-듈즈 국제공항)과 함께 시작되었음. 현장 연구에는 대기 측정 및 배출원의 활동 데이타 수집으로 구성되었음.