[논문]보수성 도로 포장재의 증발효율 변화에 의한 중규모 순환장 특성 분석

김인수; 이순환; 김해동; 서영찬

doi:10.5467/jkess.2009.30.6.709

보수성 도로 포장재의 증발효율 변화에 의한 중규모 순환장 특성 분석
The Analysis of Mesoscale Circulations Characteristics Caused by the Evaporation-Efficiency of Water Retention Pavement 원문보기

한국지구과학회지 = Journal of the Korean Earth Science Society, v.30 no.6, 2009년, pp.709 - 720

김인수 (한국도로공사 도로교통연구원) , 이순환 (부산대학교 환경문제연구소) , 김해동 (계명대학교 환경방재시스템학과) , 서영찬 (한양대학교 교통공학과)

초록
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보수성 포장재가 지표면 열수지와 중규모 순환장에 미치는 영향을 파악하기 위하여 수치실험과 야외 관측을 실시하였다. 수치실험에 이용된 모형은 LCM(Local Circulation Model)이며, 야외 관측은 대기가 안정되어 날씨가 맑은 2007년 7월 19일 실시되었다. 야외 관측실험에서 보수성 포장재 지표면 온도의 최대치는 1430 LST에서 $41.2^{\circ}C$이고, 보수성 재료가 도포되어 있지 않은 일반 아스팔트보다 $16.1^{\circ}C$ 낮게 관측되었다. 수치실험에서는 증발효율 0.3을 가정한 case BET03에서 관측과 가장 유사한 값을 나타내었다. 이때 현열과 잠열플럭스는 각각 227 와 229 $W/m^2$이다. 수치실험 결과, 보수성 포장재는 낮은 지표면 온도, 혼합고와 관련된 잠열플럭스를 높이는 경향이 나타난다. 보수성 포장재에 의한 잠열플럭스의 불연속은 교외풍과 같은 중규모 순환장의 발달을 강화시키는 역할을 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Field observation and numerical experiments were conducted to understand the impact of water retention pavement on the surface heat budget and on the regional circulation. The numerical model applied in this study is the atmospheric dynamic model Local Circulation Model (LCM) with two dimensional grid system, and a field observation was carried out under the clear sky and calm conditions of the weather on 19 July 2007. In the field observation, the maximum value of surface temperature on pavement covered with water retention material reached the $41.2^{\circ}C$ at 1430 LST and the values was lower for $16.1^{\circ}C$ than that of asphalt without the material. The Case BET03 assumed to be 0.3 for the surface evaporation efficiency was in good agreement with the observation and its sensible and latent heat fluxes were numerically estimated to be 229 and 227 $W/m^2$, respectively. Results of the numerical experiments demonstrated that the water retention pavement tends to induce the increase of latent heat flux associated with the lower surface temperature and mixing height during the daytime. Discontinuity of latent heat caused by the water retention pavement also tends to promote the development of mesoscale circulation called as land-land breeze or country breeze.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 잠열플럭스에 관련된 물성은 매우 복잡한 형태로 나타나며, 이를 선형적으로 설명하기 매우 어렵다. 그러므로 본 연구에서는 지표면 수증기 잠열을 결정하는 요소 중 중요도가 가장 높다고 알려진 증발효율의 변화를 통하여 아스팔트의 보수성을 표현하였다. 증발효율은 대기의 상태가 증발을 가장 효율적으로 나타난다고 가정할 때 지표면의 최대 가능증발량에 대한 실제 증발량의 비로 표현할 수 있다.
이러한 연구는 공학적인 관점에서 접근하여 미시적인 온도 분포특성만을 집중적으로 제시하고 있다. 본 연구는 도로 포장재의 수분 함유 능력 변화에 따른 지표면 열수지 변화와 이에 따른 중규모 순환장 변화를 수치실험을 통하여 살펴보았다. 이러한 연구결과는 도시계획상의 도시표면에 의한 영향을 정량화하는데 도움을 주리라 판단한다.
지구 온난화의 진행의 주요한 요인으로 작용하는 국지 도시지역의 온도 상승은 인구증가와 더불어 빌딩과 도로 등 지표면 포장재의 물리적인 특성에 크게 기인한다. 본 연구는 도시지역 도로 포장재의 잠열플럭스 변화에 따른 경계층의 발달 특성과 중규모 대기 순환장의 변화를 확인하기 위하여 야외 실험과 수치 실험을 실시하였다. 한국도로공사에서 제공한 보수성 포장재의 열적특성 평가를 위한 야외관측은 2007년 6월 19일 24시간 실시되었으며, 수치연구에 이용된 수치모형은 2차원 대기역학 모형인 LCM 이다.
지금까지 연직 1차원적 분석을 통하여 보수성 포장재가 대기경계층에 미치는 영향을 보았다. 본장에서는 수치실험을 통하여 이러한 1차원적인 영향이 2차원 중규모 국지 순환장에 미치는 영향을 평가하였다. Fig.
즉, 지표면과 대기의 직접적인 열 교환 환경만을 평가하는 수치실험을 실시하였다. 수치실험은 도로 포장재의 보수성 향상에 따른 지표면과 대기경계 층의 물리요소를 분석하기 위하여 실시되었다.
본 연구는 도로 포장재의 수분 함유 능력 변화에 따른 지표면 열수지 변화와 이에 따른 중규모 순환장 변화를 수치실험을 통하여 살펴보았다. 이러한 연구결과는 도시계획상의 도시표면에 의한 영향을 정량화하는데 도움을 주리라 판단한다.

가설 설정

도시지역 역시 다양한 토지이용도가 나타나지만 본 연구에서는 아스팔트 환경을 고려하기 때문에 식생 캐노피 층과 대기 또는 지중과의 열적인 교환은 고려하지 않았다. 그러므로 식물의 뿌리에 의한 증산효과, 식생에 의한 바람의 저항, 복사에너지의 차단 등도 없다고 가정하였다. 즉, 지표면과 대기의 직접적인 열 교환 환경만을 평가하는 수치실험을 실시하였다.
실험 설계에서 설명한 바와 같이 중심은 도시가 존재하고 양옆으로 경작지가 위치하는 조건에서 실험을 실시하였다. 그리고 도시로 상정된 지역에 보수성 포장재가 위치한다고 가정하였다.
도심의 경우 증발효율이 0.1 이하의 저증발을 상정하며, 아스팔트의 경우 증발이 이루어지지 않기 때문에 0을 가정하기도 한다. 그러나 실제 주변에서의 수증기 이류 등으로 계산에서는 0보다는 약간 크게 설정한다.
모형은 2차원 정역학 대기를 가정하고, 좌표계는 지형 준거 좌표계(Z*)를 채용하였다. 지형 준거 좌표계는 아래와 같다.
보수성포장재를 상정한 수치실험은 1차원 연직 에너지 분석과 동시에 2차원 중규모 순환장을 가정하여 지표면 포장재의 성능 평가가 실시되었기 때문에 2차원 수치대기를 가정하였다. 격자구조를 보면 6km 까지 52개의 층으로 구성하였으며 지중 격자 2개 층으로 설정하였다.

제안 방법

각 사례의 지표면 플럭스변화를 보기 위하여 현열 플럭스와 잠열플럭스의 시간변화를 보았다(Fig. 5). 각 플럭스의 전체적인 변화경향은 모든 실험에서 유사하게 나타난다.
한국도로공사에서 제공된 보수성 포장재의 물리적 특성을 파악하기 위하여, 야외 실험을 실시하였다. 관측은 주변이 트인 계명대학교내 운동장에서 가로 세로 각각 30 cm 두께 5 cm의 보수성 포장재를 두고 일중 온도 변화를 측정하였다. 동시에 대조군으로 일반 아스팔트로 도포된 포장재 역시 같은 크기로 설치하여 온도변화를 살펴보았다(Fig.
포장재의 온도에는 직접적인 태양 복사 뿐 아니라 관측시의 기상장도 영향을 미친다. 그러므로 보수성 재료의 온도 관측과 더불어 기상관측도 병행하였다. Fig.
중규모 순환을 생성시키기 위한 요인으로 수평방향의 열적 불균일을 적용하였는데, 이러한 열적 강제순환을 생성시키기 위하여 도메인 중심에 위치한 25개 격자를 도심지로 설정하고 그 주변을 목초지로 구성하였다. 그리고 도시와 목초지사이의 열환경 차이에 의하여 발달하는 전원풍 변화를 통하여 보수성재료의 물리특성이 이들 순환에 미치는 영향을 분석하였다. 계산시간은 03시부터 36시간 적분을 실시하고 중간의 24시간을 분석에 사용하였다.
관측은 주변이 트인 계명대학교내 운동장에서 가로 세로 각각 30 cm 두께 5 cm의 보수성 포장재를 두고 일중 온도 변화를 측정하였다. 동시에 대조군으로 일반 아스팔트로 도포된 포장재 역시 같은 크기로 설치하여 온도변화를 살펴보았다(Fig. 1).
그러나 실제 주변에서의 수증기 이류 등으로 계산에서는 0보다는 약간 크게 설정한다. 본 연구에서는 0.05(case BET0.05), 0.1(case BET01), 0.3(case BET03), 0.5(case BET05)의 4단계의 증발효율 값을 설정하여 이들 값에 따른 변화를 살펴보았다. 계산에 사용된 복사에너지는 야외 관측이 실시된 2007년 6월 19일을 기준으로 설정하였으며, 구름이 없는 맑은 날을 상정하였다.
연직격자는 지표면 열플럭스가 매우 급격히 변화하는 지상에 가까울수록 조밀하게 두었다. 수평격자는 99개로 구성되며 격자간격은 2km로 설정하였으며, 모든 격자가 동일한 물리량을 가지도록 하였다.
류남형과 우병림(2006)은 다양한 물성을 가진 시멘트 재료를 이용한 관찰을 실시하였다. 시멘트의 알베도와 투수성이 표면의 열환경을 결정짓는 요인으로 파악하였고 공학적인 포장 방법을 통한 해결이 필요하다고 제시하였으며, 이순환 외(2002) 대기 수치 실험을 통하여 한반도 동남지역의 지표면 토지 이용도를 변화시킨 상태에서 오염 입자를 방출하는 이류 확산 실시하였다. 토지이용도 변화가 열환경 변화를 가져오고, 이는 다시 오염 입자 수송에 영향을 미치고 있음을 확인하였다.
그리고 그림 하단의 굵은 실선은 도시로 상정된 영역을 나타낸다. 실험 설계에서 설명한 바와 같이 중심은 도시가 존재하고 양옆으로 경작지가 위치하는 조건에서 실험을 실시하였다. 그리고 도시로 상정된 지역에 보수성 포장재가 위치한다고 가정하였다.
야외관측은 2007년 6월 19일 9시부터 24시간 동안 실시되었으며 온도측정은 10분 단위로 표면, 2.5 cm, 5 cm 깊이의 지온을 측정하였다. 지중의 온도는 전기 온도계를 이용하였으며, 표면의 온도는 적외선 온도계를 사용하였다.
연구에 사용된 수치 모형은 대기-식생-지면으로 구성되며, 다양한 토지 상태에 적용된다. 도시지역 역시 다양한 토지이용도가 나타나지만 본 연구에서는 아스팔트 환경을 고려하기 때문에 식생 캐노피 층과 대기 또는 지중과의 열적인 교환은 고려하지 않았다.
중규모 순환을 생성시키기 위한 요인으로 수평방향의 열적 불균일을 적용하였는데, 이러한 열적 강제순환을 생성시키기 위하여 도메인 중심에 위치한 25개 격자를 도심지로 설정하고 그 주변을 목초지로 구성하였다. 그리고 도시와 목초지사이의 열환경 차이에 의하여 발달하는 전원풍 변화를 통하여 보수성재료의 물리특성이 이들 순환에 미치는 영향을 분석하였다.
그러므로 식물의 뿌리에 의한 증산효과, 식생에 의한 바람의 저항, 복사에너지의 차단 등도 없다고 가정하였다. 즉, 지표면과 대기의 직접적인 열 교환 환경만을 평가하는 수치실험을 실시하였다. 수치실험은 도로 포장재의 보수성 향상에 따른 지표면과 대기경계 층의 물리요소를 분석하기 위하여 실시되었다.
지금까지 연직 1차원적 분석을 통하여 보수성 포장재가 대기경계층에 미치는 영향을 보았다. 본장에서는 수치실험을 통하여 이러한 1차원적인 영향이 2차원 중규모 국지 순환장에 미치는 영향을 평가하였다.
5 cm, 5 cm 깊이의 지온을 측정하였다. 지중의 온도는 전기 온도계를 이용하였으며, 표면의 온도는 적외선 온도계를 사용하였다. 포장재의 온도에는 직접적인 태양 복사 뿐 아니라 관측시의 기상장도 영향을 미친다.
한국도로공사에서 제공된 보수성 포장재의 물리적 특성을 파악하기 위하여, 야외 실험을 실시하였다. 관측은 주변이 트인 계명대학교내 운동장에서 가로 세로 각각 30 cm 두께 5 cm의 보수성 포장재를 두고 일중 온도 변화를 측정하였다.

대상 데이터

2. Synoptic charts on surface at 0900 and 2100 LST 19 July 2007, which were provided by Korea Meteorological Administration.
보수성포장재를 상정한 수치실험은 1차원 연직 에너지 분석과 동시에 2차원 중규모 순환장을 가정하여 지표면 포장재의 성능 평가가 실시되었기 때문에 2차원 수치대기를 가정하였다. 격자구조를 보면 6km 까지 52개의 층으로 구성하였으며 지중 격자 2개 층으로 설정하였다. 연직격자는 지표면 열플럭스가 매우 급격히 변화하는 지상에 가까울수록 조밀하게 두었다.
5(case BET05)의 4단계의 증발효율 값을 설정하여 이들 값에 따른 변화를 살펴보았다. 계산에 사용된 복사에너지는 야외 관측이 실시된 2007년 6월 19일을 기준으로 설정하였으며, 구름이 없는 맑은 날을 상정하였다.

이론/모형

경계층내 난류 확산은 2,5 level 동결모형(Mellor and Yamada, 1982)을 적용하였으며, 본 연구는 응결에 의한 강수 상황을 고려하지 않기 때문에 강수과정은 계산중에 포함하지 않았다. 그리고 수치대기의 밀도 변화에 의하여 생성되는 중력파의 상층 반사를 방지하기 위하여 Klemp and Durran(1983) 의 상층 경계조건을 사용하였으며, 측면 경계 역시 수치 중력파의 원활한 통과를 고려하는 Oranski(1976)의 경계 조건을 적용하였다.
경계층내 난류 확산은 2,5 level 동결모형(Mellor and Yamada, 1982)을 적용하였으며, 본 연구는 응결에 의한 강수 상황을 고려하지 않기 때문에 강수과정은 계산중에 포함하지 않았다. 그리고 수치대기의 밀도 변화에 의하여 생성되는 중력파의 상층 반사를 방지하기 위하여 Klemp and Durran(1983) 의 상층 경계조건을 사용하였으며, 측면 경계 역시 수치 중력파의 원활한 통과를 고려하는 Oranski(1976)의 경계 조건을 적용하였다. 이 모형은 다양한 미규모와 중규모 사례연구에 적용되어 모형의 계산안정성은 확인되었다(Kusaka et al.
본 연구에서는 1차원적인 영향 뿐 아니라 지표면 포장재의 변화에 따른 지표열환경이 중규모 순환장에 미치는 영향을 파악하기 위하여 2차원 수치모형을 사용하였다. 본 연구에 사용된 대기 역학 모형은 LCM(Local Circulation Model)이다. 이 모형은 Kikuchi et al.
본 연구에서는 1차원적인 영향 뿐 아니라 지표면 포장재의 변화에 따른 지표열환경이 중규모 순환장에 미치는 영향을 파악하기 위하여 2차원 수치모형을 사용하였다. 본 연구에 사용된 대기 역학 모형은 LCM(Local Circulation Model)이다.
이러한 현열과 잠열플럭스는 Monin–Obukhov 상사이론을 바탕으로 계산되며, 지표면과 토양내부의 열환경은 열전도 방정식에 의하여 결정되는데 이때 열용량은 지온을 결정하는 주요한 요인으로 비선형적으로 변화하는 특성을 나타낸다.

성능/효과

1) 보수성 포장재와 일반 아스팔트의 표면 온도의 야외 관측 비교실험에서 14시에 최대 16.1℃의 온도 차로 아스팔트 표면 온도가 높게 나타났다. 그리고 20시 이후 이 둘의 표면 온도 차이는 거의 사라진다.
2) 보수성 포장재를 상정한 수치실험에서 증발효율이 0.1에서 0.3사이의 값에 해당하며, 일반아스팔트의 경우는 증발효율이 0.05보다 작게 나타난다.
3) 일반 아스팔트를 상정한 BET0.05의 현열플럭스는 13시에 365 W/m²로 최대값을 나타내며 잠열플럭스는 121 W/m²로 최소를 나타내어 현열플럭스가 3배 정도 크게 나타나지만, 보수성 아스팔트를 상정한 BET03의 경우 같은 시간에 현열과 잠열플럭스가 각각 229, 227 W/m²로 거의 비슷하게 나타난다.
4) 일반 아스팔트와 보수성 아스팔트의 지표면 물리적 특성에 따라 지표면 열환경이 변화하는 것을 수치실험으로 확인하였다, 특히 일반 아스팔트인 경우 혼합고가 12시에 1600 m에 달하지만, 보수성 아스팔트의 경우 1000 m 정도로 나타나 이들 지표면 물리적 특성 차이에 따라 대기의 연직 혼합고 변화에 영향을 미친다.
5) 포장재의 물성변화가 중규모 기상장의 흐름변화에도 영향을 미치는데, 이상적인 도심과 경작지를 고려한 수치실험에서 이들 포장재의 열적 변화가 전원풍의 강도를 2배 이상 약화시키는 것으로 평가되었다.
그리고 20시 이후 이 둘의 표면 온도 차이는 거의 사라진다. 또한 아스팔트의 보수성은 지표면 온도를 낮출 뿐 아니라 최고온도의 시간지연 효과를 가져왔다.
이러한 경향성은 야간 산풍에도 동일하게 나타나는데, Lee and Kim(2009)는 부산 성지곡을 대상으로 한 야간 산풍 재현 실험에서 야간산풍의 도심지 통과에 따른 가열은 도심지 야간 혼합고를 성장시키는데, 이때 혼합고의 증가는 지표면 현열플럭스에 덜 민감하며, 지표면 열과 운동량 확산계수가 더욱 중요한 요인으로 작용한다고 제시하고 있다. 본 연구에서 발생하는 중규모 순환장에서도 지표면 현열플럭스가 혼합고의 증가 보다는 순환강도 증가에 더욱 직접적인 영향을 미친 것으로 사료된다.

후속연구

그러나 수치실험으로 확인된 보수성 포장재의 잠열 특성 경향성은 일치한다. 그리고 이러한 연구결과는 도심지내 도로 표면의 온도 저감 개발의 기초자료로 이용될 수 있을 것이다. 특히 도심지 열섬의 저감 및 쾌적한 인간생활을 위한 도심지표면 개발 계획을 수립하는데도 일조할 것이다.
특히 도심지 열섬의 저감 및 쾌적한 인간생활을 위한 도심지표면 개발 계획을 수립하는데도 일조할 것이다. 본 연구는 포장재 표면의 온도 변화와 이에 따른 2차원적인 기류 변화에 관하여 살펴본 것이며, 좀 더 다양한 규모의 3차원적인 영향 평가가 추후에 필요하리라 판단된다.
그리고 이러한 연구결과는 도심지내 도로 표면의 온도 저감 개발의 기초자료로 이용될 수 있을 것이다. 특히 도심지 열섬의 저감 및 쾌적한 인간생활을 위한 도심지표면 개발 계획을 수립하는데도 일조할 것이다. 본 연구는 포장재 표면의 온도 변화와 이에 따른 2차원적인 기류 변화에 관하여 살펴본 것이며, 좀 더 다양한 규모의 3차원적인 영향 평가가 추후에 필요하리라 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열섬현상은 무엇에 의해 발생하는가?	도시의 열환경 문제는 도시의 인구 밀집에 따른 인공열 증가와 더불어 도시표면의 아스팔트나 콘크리트에 의한 지표면 포장과 밀접하게 관계한다. 대표적인 도시 열환경 문제로 열섬현상을 들 수 있다, 열섬현상은 도로 포장에 의한 증발량 감소, 도로 포장재와 빌딩 등 구조물 밀집에 의한 열용량 증가, 나지 면적 감소, 도시하천의 복개 등 다양한 요인에 의해서 발생한다. 다양한 요인에 의한 도시의 고온 열 환경을 열오염의 개념으로 파악하고 이를 해소하는 연구가 다양한 방법으로 진행된다.
	도시의 열환경 문제는 무엇과 밀접하게 관계되는가?	이러한 지구온난화를 가속시키는 하나의 요인으로 도시지역의 열환경 변화가 있다. 도시의 열환경 문제는 도시의 인구 밀집에 따른 인공열 증가와 더불어 도시표면의 아스팔트나 콘크리트에 의한 지표면 포장과 밀접하게 관계한다. 대표적인 도시 열환경 문제로 열섬현상을 들 수 있다, 열섬현상은 도로 포장에 의한 증발량 감소, 도로 포장재와 빌딩 등 구조물 밀집에 의한 열용량 증가, 나지 면적 감소, 도시하천의 복개 등 다양한 요인에 의해서 발생한다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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