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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 여름철 도시의 열 환경 완화에 유효하다고 생각되는 하천의 수면효과를 정량적으로 밝히기 위하여 청주시에 위치한 무심천을 대상으로 하천주변 온도 실측조사를 실시하여 하천효과의 영향범위 파악과 도심 전체에 미치는 열 환경 영향을 분석하고자 하였다.
- 본 논문에서는 2차원 복사온도계를 이용한 현지 온도조사와 KOMPSAT-2 영상과 LANDSAT TM 영상을 이용하여 각각 지표면의 피복상태와 지표면온도에 관해 해석하고, 도심에 위치한 하천 주변의 열 환경 특성을 분석 제시하고자 하였다. 얻어진 결과를 정리하면 다음과 같다.
제안 방법
- 현장 온도 측정은 적외선 열화상장치인 이차원 복사온도계 (TJ-200, TECH-JAM 측정파장 8~16μm, 측정온도범위 :0~200℃, 측정 정밀도: ±2℃)를 사용하였다(Fig. 2).
- 2). 또한 8월의 온도변화 추이는 청주시 기상대의 1968년부터 2009년까지 42년 동안의 기상일보에서 얻어진 데이터를 이용하여 평균기온을 분석하였다(기상청, 1968~2009).
- 대상지역에 대한 식생피복 파악은 가장 널리 이용되고 있는 정규화 식생지수(이후, NDVI)를 이용하였다(나상일 등, 2008, 나상일과 박종화, 2008). KOMPSAT-2영상 데이터를 이용한 식생지수(NDVIKompsat)는 MS3(630~690nm)과 MS4(760~900nm)를 조합하여 구하였다.
- 토지이용 분류는 8개 항목으로 분류하였다. 주거지는 일반 주거지역과 고밀도 주거지역으로 분류하였고, 산림과 공원은 녹지로 분류하고 공업단지, 공공용지, 나지, 농경지, 수역으로 분류하였다. 분류 결과 하천 주변은 대부분이 주거지가 집중되어 있고 도심이 형성되어 콘크리트와 아스팔트 피복이 주를 이루고 있다.
- 연구대상 지역인 청주의 여름철 온도변화를 파악하기 위하여 청주기상대에서 조사된 1968년부터 2009년까지 42년 동안 8월의 평균기온을 분석하였다(기상청, 1968~2009). 분석결과 8월의 평균기온이 가장 낮은 해는 1980년으로 22.
- LANDSAT TM 영상의 밴드 6을 이용한 지표면온도의 정확성 평가를 위해 열화상 카메라인 이차원 복사온도계로 측정된 9개 지점 현장측정 온도에 대해 상관분석을 실시하였다. 그 결과 Fig.
대상 데이터
- 연구대상은 충북 청주시 주변지역으로 무심천을 중심으로 동쪽은 상당구, 서쪽은 흥덕구로 도심지가 발달하여 하천이 도심지 열 환경에 미치는 영향을 파악하기에 적절한 지역을 선정하였다(36°36’30“N, 127°25’0"E ~ 36°40’0“N, 127°31’0"E).
- 사용영상은 하천이 도시 주변 열 환경에 미치는 영향을 파악하기 위하여 도심지를 경계로 하천을 포함한 지역과 토지이용별 열 환경 비교·분석을 위해 공업단지와 산림을 포함한 범위로 9.0km×6.2km의 영상을 추출하였다.
- 수치고도자료는 국립지리원 발행 1/25,000 수치지형도(1999.10.18 발행)에서 추출한 DEM 자료(36°36’30“N, 127°25’0"E~36°40’0“N, 127°31’0"E)를 이용하였다.
- KOMPSAT-2 영상은 3개의 가시광선 밴드와 1개의 적외선 밴드를 포함하는 4×4m의 고해상도 영상으로 토지이용분류를 위해 사용하였다.
- 연구대상은 충북 청주시 주변지역으로 무심천을 중심으로 동쪽은 상당구, 서쪽은 흥덕구로 도심지가 발달하여 하천이 도심지 열 환경에 미치는 영향을 파악하기에 적절한 지역을 선정하였다(36°36’30“N, 127°25’0"E ~ 36°40’0“N, 127°31’0"E). 연구대상지역의 동쪽은 우암산 등 산이 위치하고 있으며, 서쪽은 공업단지가 위치하고 있다. 하천주변은 도심과 아파트단지 등 주거와 상업지역이 분포하고 있으며, 도심에는 야산과 공원 등 도심녹지가 분포되어 있어 도시 열 환경의 공간분포특성 파악이 용이한 지역이다.
- 본 연구에서 사용한 영상은 2006년 8월 5일에 촬영한 중해상도의 LANDSAT 5 TM과 2008년 8월 31일에 촬영한 고해상도의 KOMPSAT-2를 사용하였다. LANDSAT 5 TM 영상은 30m 해상도의 밴드 1~4(가시광선~근적외선), 밴드 5, 7(중앙 적외선)과 60m 해상도의 밴드 6 (열적외선 밴드) 및 15m 해상도의 pancromatic 밴드영상 (밴드 8)으로 구성되어 있다.
- LANDSAT 5 TM 영상은 30m 해상도의 밴드 1~4(가시광선~근적외선), 밴드 5, 7(중앙 적외선)과 60m 해상도의 밴드 6 (열적외선 밴드) 및 15m 해상도의 pancromatic 밴드영상 (밴드 8)으로 구성되어 있다. 식생피복 조사에는 가시광선~근적외선 밴드를 이용하고, 지표면온도 추정은 열적외선 밴드인 6번 밴드를 이용하였다. KOMPSAT-2 영상은 3개의 가시광선 밴드와 1개의 적외선 밴드를 포함하는 4×4m의 고해상도 영상으로 토지이용분류를 위해 사용하였다.
- 관측지점은 총 9지점을 선정하여 적외선 열화상장치인 이차원 복사온도계(TJ-200, TECH-JAM)와 GPS를 이용해 정확한 좌표와 현장 관측 온도 자료를 수집하였다. 청주시 9개 주요지점의 현장측정 온도는 Table 1과 같이 조사되었다.
이론/모형
- 따라서 본 연구에서는 GIS의 내삽기법 중 미지 관측지점의 속성값은 그 위치에서 정의된 확률 변수 결과들로 모델링된다는 확률 함수 개념에 기반을 둔 Kriging 기법을 이용하여 10×10m 격자 형태로 보간하였다(Goovaerts, 1996).
- 대상지역에 대한 식생피복 파악은 가장 널리 이용되고 있는 정규화 식생지수(이후, NDVI)를 이용하였다(나상일 등, 2008, 나상일과 박종화, 2008). KOMPSAT-2영상 데이터를 이용한 식생지수(NDVIKompsat)는 MS3(630~690nm)과 MS4(760~900nm)를 조합하여 구하였다.
- 토지이용별 열 환경 특성 파악은 KOMPSAT-2 영상을 이용하여 스크린 디지타이징(Screen Digitizing) 기법으로 토지 이용분류를 실시하고, 참고자료로 수치지형도를 이용하였다(Fig. 3). 토지이용 분류는 8개 항목으로 분류하였다.
- 토지이용별 열 환경 특성 파악은 KOMPSAT-2 영상을 이용하여 스크린 디지타이징기법으로 토지이용분류를 실시하였다. Table 2는 이렇게 추출한 토지이용분류와 LANDSAT TM 영상을 이용하여 추출한 지표면온도를 이용하여 토지 이용별 온도를 분석하여 제시한 결과이다.
성능/효과
- 열화상장치인 복사온도계는 대상물체 또는 환경에 대해 직접 36지점에서 측정된 값의 평균 값을 나타낸다. 따라서 각 지역의 기상대 등 고정점에서 측정된 값보다 높게 나타나는 특징을 보였다. 현장측정에서 온도분포가 높게 나타난 지역은 건물이 많이 밀집되어 있고 아스팔트로 피복된 시가지로 37℃이상으로 조사되었다.
- 분석 결과 현장에서 취득한 온도는 LANDSAT TM 영상에서 추출한 온도와 비교하여 2∼10℃ 정도 높게 나타나는 것으로 파악되었다.
- LANDSAT TM 영상의 밴드 6을 이용한 지표면온도의 정확성 평가를 위해 열화상 카메라인 이차원 복사온도계로 측정된 9개 지점 현장측정 온도에 대해 상관분석을 실시하였다. 그 결과 Fig. 7과 같이 현장측정 온도와 LANDSAT TM 영상에서 취득한 지표면온도 사이에는 2차 함수식으로 일정한 상관성을 보였다. 그 근사식은 식 (5)와 같은 관계가 성립하였다.
- 도심지에 위치한 하천의 경우 주변의 주거지 보다 1～2℃정도 낮은 온도 분포를 보였다. 이와 같은 결과는 현지조사 결과와 일치하는 것으로 토지 이용별 온도분포는 아스팔트나 콘크리트 피복지역의 온도가 식생이 있는 곳이나 수면이 분포한 지역에 비해 매우 높은 것으로 파악되었다. 같은 시간에 관측된 지표면 온도의 공간분포는 지표면 피복형태에 따라 산림<녹지<<수 변<시가지<<공업단지 순으로 형성되는 것을 파악할 수 있었다.
- 한편 무심천은 청주시의 남북으로 관통하고 있어 여름철 하천의 수면에서는 바람이 약해지는 경우가 적으므로 잠열수송이 활발하게 이루어지면서 주변지역 보다 온도분포가 낮게 형성되는 것으로 해석된다. 따라서 이러한 현상이 종합적으로 작용하여 도심의 하천은 도심지에서 높게 형성된 온도를 낮추는 냉각효과가 있는 것으로 해석할 수 있을 것이다.
- 1. 청주시 8월의 평균 온도 변화는 매년 변동은 있으나 장기적으로 계속적인 증가 추세를 보였으며, 평균온도의 증가는 42년 동안 약 1.2℃상승한 것으로 조사되었다.
- 2. LANDSAT TM영상으로부터 얻어진 청주시 주변의 온도분포는 도심을 중심으로 열섬의 공간구조를 나타내었다. 구 도심을 중심으로 시가지 밀도가 높은 지역은 온도가 높고 시 주변에는 산과 논 등 녹지가 분포하여 시가지가 열 섬의 코어를 형성하였다.
- 3. 토지이용별 온도를 분석한 결과 공업단지가 평균 28.8℃로 가장 높았고, 다음이 주거지로 평균 27.4℃로 나타났다. 한편 가장 낮은 지역은 산림으로 평균 24.
- 8℃, 도심지에 위치한 하천은 주변의 주거지 보다 1～2℃정도 낮은 온도 분포를 보였다. 이와 같이 토지이용별 온도분포는 아스팔트나 콘크리트 피복지역의 온도가 식생이나 수면 분포 지역에 비해 매우 높은 것으로 파악되었다.
- 4. 같은 시간에 관측된 지표면 온도의 공간분포는 지표면 피복형태에 따라 산림<녹지<<수변<시가지<<공업단지 순으로 형성되는 것으로 파악되었다.
- 5. 하천주변지역에는 시가지가 형성되어 전체적으로 콘크리트와 아스팔트로 피복되어 있어 하천에 비해 2℃정도 높은 온도분포를 형성하는 것으로 조사되었다.
- 6. 무심천은 청주 도심을 남북으로 관통하고 있어 하천 수면에서 잠열수송이 활발하게 이루어지면서 주변지역 보다 온도분포가 낮게 형성되는 것으로 해석되었다. 이러한 현상은 도심 하천이 도심지에서 높게 형성된 온도를 낮추는 냉각효과가 있는 것으로 해석되었다.
후속연구
- 이와 같이 지구온난화와 기후변화, 에너지문제 등은 도시의 열 환경과 밀접한 관련을 가지고 있어 도심에서 발생되는 열원은 물론 이러한 열의 이동과 분포에 관한 해석은 에너지 문제를 해결하고 쾌적한 도시환경을 만드는데도 매우 중요한 요소가 될 것이다. 또한 도시화 현상은 계속 진행되고 있어 하천과 녹지 등을 활용한 도시의 열 환경 개선 등은 다양하게 연구되고 적용되어 쾌적한 생활공간이 될 수 있도록 해 가야 될 것이다.
- 여름동안에 1℃의 기온상승은 서울의 경우 100~120만 kW의 전력 수요를 가져오며, 7~9월 기온 1℃를 낮추는데 냉방용 전력요금은 연간 18~20억원(30일 기준)을 줄일 수 있는 것으로 조사되었다(박종화 등, 2006). 이와 같은 온도 증가 추세는 냉방을 위한 전열기구의 사용이 증가되고 도시화에 따른 도심의 열 환경 악화가 더욱 심화될 것으로 판단되어 도심 전역에 대한 열 환경 평가와 개선책 마련이 있어야 될 것이다.
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