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문제 정의
- 또한 이 방법을 적용하여 우리나라 중부지방에 가상적인 도시를 건설하여 도시건설에 따른 기상변화와 건강에 미치는 영향을 산출함으로서 도시건설에 따른 건강영향평가방법의 유용성을 확인할 것이다. 그리고 실제 적용 시 해결해야할 문제점을 검토하여 해결방안을 제안하고자 한다.
- 본 연구의 목적은 도시개발에 따른 적절한 대기질 평가 방법을 검토하고 도시열섬 예측과 건강평가 방법에 대해 연구하는 것이다. 또한 이 방법을 적용하여 우리나라 중부지방에 가상적인 도시를 건설하여 도시건설에 따른 기상변화와 건강에 미치는 영향을 산출함으로서 도시건설에 따른 건강영향평가방법의 유용성을 확인할 것이다.
제안 방법
- CASE A는 현재를 나타내며, CASE B는 도시가 개발된 가상도시를 설정하였고, 모델 도메인 중심의 3×3 격자의 토지이용도를 도시로 변경한 후 도시개발에 따라 미래 기상인자의 변화를 모사하였다.
- 가상적인 도시 건설지역을 대상으로 2008년 1월과 2008년 8월 각각 1개월씩 현재와 장래 도시건설이 완료된 시점에 대하여 MM5 모델을 실행하고 그 결과로 PT와 PMV를 구하여 도시 건설 전후의 열 스트레스 변화를 고찰하였다. 도시 건설 전후의 비교지점은 가상의 도시(3×3) 중심의 9개 격자 중에서 중앙격자(2,2)의 값을 사용하였다.
- 겨울(1월)과 여름기간(8월) 동안의 기상모델 검증을 통하여 기상대 2 지점(안성:516, 평택:551)의 실측과 모델결과를 대상기간 동안 통계분석 하였다. 통계분석의 경우 표 2에 제시한 6가지 통계 방법을 사용하여 모델을 평가하였다(이종범 등, 2007).
- 겨울기간(1월)의 경우 강한 풍속과 함께 일교차가 크게 나타났던 1월 18일의 06UTC(15LST)와 18UTC(03LST)의 도시건설 전·후 모델 결과를 각각 비교하였다.
- 대상영역은 아래와 같이(그림 1) 나누어 Lambert-conformal 격자투영법을 써서 나타냈으며, 그 중심은 한반도 북위 38°, 동경 126°로서 중국, 일본을 포함하는 30km(162×120)격자를 설정하였다. 고해상도 모델실행을 위해 nesting 기법을 이용하여 10km, 3.3km를 설정하였고, 최종 1.1km 격자의 영역을 설정하여 모사하였다.
- 기상청에서 제공하고 있는 생활기상지수 산출식(http://www.kma.go.kr/aaw2008/aaw_01_04.jsp)에 기상모델에서 모사한 도시개발 전·후의 MM5 모사 결과로 불쾌지수, 체감온도지수, 열지수, 열대야 등을 산출하여 도시효과에 따른 생활지수 변화를 파악했다.
- 도시 생성 전·후의 기온변화를 비교하기 위하여 대상지역의 지표온도의 수평분포를 각각 비교하였다.
- 도시건설 전·후의 혼합층 고도를 비교하기 위하여 대상기간 중 겨울(1월 17일)과 여름(8월 7일)의 15시의 고도분포를 각각 비교하였다(그림 11).
- 도시건설 후의 기상변화를 파악하기 위하여 겨울(1월)기간 동안의 온도를 도시개발 전·후로 구분하여 실측값(안성:516)과 비교하였다(그림 6).
- 또한 cold stress와 heat stress의 발생빈도와 강도를 파악하여 허용기준치와 비교·검토 하였다.
- 연직층의 경우 기상청에서 제공받은 RDAPS 33층 연직 격자층 결과를 지표로부터 2층을 추가한 35층으로 세분화하여 지표부근의 난류 확산을 보다 세밀히 모사하도록 하였다. 또한 고해상도 수치모의를 위해 동아시아 지역의 상층기상자료를 이용하여 자료동화(Four Dimensional Data Assimilation, FDDA)를 실행하였으며 이때 지형자료와 토지이용도는 각각 미국 나사(NASA)에서 조사한 SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)자료와 환경부 대분류 자료를 이용하여 지형 특성을 고려하였다. 또, 경계조건 등으로 인한 수치모델링의 계산 오차를 줄이기 위해 광역규모 영역의 계산부터 시작하여 Nesting방법을 이용하여 평가하고자 하는 대상지역에 대하여 세밀한 격자의 기상장을 산출하였다(이종범 등, 2006).
- 또한 도시개발 전·후의 기상모델 결과를 비교하기 위하여 각각의 CASE를 설정하였다(그림 2).
- 또한 우리나라 중부지역 가상도시의 중앙 격자에서 기상모델을 실행하여 기상모델결과와 무인기상관측소(Automatic Weather Station; AWS)의 실측자료를 비교·평가하여 도시가 생성되기 전과 후의 지표 특성이 기상에 미치는 영향을 평가하였다.
- 각각의 모델결과 차이(CASE_B - CASE_A)를 보았을 때 도시건설 후의 낮 동안의 기온은 높아졌으나, 일몰 후 도시생성 전의 결과보다 낮아지는 결과를 보이고 있다. 반면 실제 일교차가 크게 나타났던 날의 경우 CASE_B의 결과 역시 CASE_A에 비하여 큰 일교차를 보이고 있으며, 실제 일교차가 작게 나타난 날의 경우 도시건설 후 야간 일교차가 줄어들어 실제 일교차가 작아지는 결과를 모사하였다.
- 느끼는 열과 추위는 Fanger(1970)의 comfort식에 의해서 계산되는데 인체의 열 생리적 상태를 새로운 지수 형태인 예측평균지수(Predicted Mean Vote : PMV)로 제시하였으며 이것은 인체 열수지 모델의 기초가 된다(김정식 등, 2006). 본 연구에서는 KMM 모델을 이용하여 기상모델에서 구해진 시간별 기온, 풍속, 습도, 일사량, 장파복사, 지표면온도 등의 자료로 PMV와 PT를 산출하였다. 또한 cold stress와 heat stress의 발생빈도와 강도를 파악하여 허용기준치와 비교·검토 하였다.
- 여름기간(8월)에 대하여 비교적 풍속이 약하게 불고 일교차가 크게 나타났던 8월 7일의 06UTC(15LST)와 18UTC(03LST)의 도시건설 전·후 모델 결과를 각각 비교하였다.
- 기상 모델(Meteorological Mesoscale Model Version 5, MM5)의 초기 및 경계 입력자료는 3시간 단위로 생성된 기상청의 30km 격자의 RDAPS(Regional Data Assimilation and Prediction System)자료를 기본 입력자료로 사용하였다. 연직층의 경우 기상청에서 제공받은 RDAPS 33층 연직 격자층 결과를 지표로부터 2층을 추가한 35층으로 세분화하여 지표부근의 난류 확산을 보다 세밀히 모사하도록 하였다. 또한 고해상도 수치모의를 위해 동아시아 지역의 상층기상자료를 이용하여 자료동화(Four Dimensional Data Assimilation, FDDA)를 실행하였으며 이때 지형자료와 토지이용도는 각각 미국 나사(NASA)에서 조사한 SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)자료와 환경부 대분류 자료를 이용하여 지형 특성을 고려하였다.
- 우리나라 중부지역에 설계한 가상지역의 1.1km 격자크기의 기상모델(MM5) 결과(CASE A)를 대상 기간동안 측정된 안성(ID:516) AWS지점의 실제측정 값(온도, 풍향, 풍속)과 비교하였다. 겨울철(1월) 온도의 경우 실측의 일주기 패턴을 모델결과가 유사한 패턴으로 모사하고 있다.
대상 데이터
- 대상 기간의 경우 2008년 1년 중 heat stress 산출을 위해 가장 무더운 8월 한 달과 cold stress 산출을 위해 가장 추운 1월을 선택하였다. 기상 모델(Meteorological Mesoscale Model Version 5, MM5)의 초기 및 경계 입력자료는 3시간 단위로 생성된 기상청의 30km 격자의 RDAPS(Regional Data Assimilation and Prediction System)자료를 기본 입력자료로 사용하였다. 연직층의 경우 기상청에서 제공받은 RDAPS 33층 연직 격자층 결과를 지표로부터 2층을 추가한 35층으로 세분화하여 지표부근의 난류 확산을 보다 세밀히 모사하도록 하였다.
- 대상 기간의 경우 2008년 1년 중 heat stress 산출을 위해 가장 무더운 8월 한 달과 cold stress 산출을 위해 가장 추운 1월을 선택하였다. 기상 모델(Meteorological Mesoscale Model Version 5, MM5)의 초기 및 경계 입력자료는 3시간 단위로 생성된 기상청의 30km 격자의 RDAPS(Regional Data Assimilation and Prediction System)자료를 기본 입력자료로 사용하였다.
- 대상영역은 아래와 같이(그림 1) 나누어 Lambert-conformal 격자투영법을 써서 나타냈으며, 그 중심은 한반도 북위 38°, 동경 126°로서 중국, 일본을 포함하는 30km(162×120)격자를 설정하였다.
- CASE A는 현재를 나타내며, CASE B는 도시가 개발된 가상도시를 설정하였고, 모델 도메인 중심의 3×3 격자의 토지이용도를 도시로 변경한 후 도시개발에 따라 미래 기상인자의 변화를 모사하였다. 도시 건설 전후의 비교지점은 중심의 9개 도시격자 중에서 중앙격자(2,2)의 값을 사용하였다.
- 불쾌지수는 덥고, 습한 여름에 사용되는 지수로서 여름철인 8월을 대상으로 산출하였다. 그 결과 8월 6일부터 8월 14일까지는 도시개발 전·후 모두 야간에도 불쾌지수가 높게 나타났다.
이론/모형
- 따라서 본연구에서는 3차원기상모델로서 MM5를 사용하였다. MM5 중규모기상모델은 시그마 좌표계로 쓰인 비정수 방정식계를 사용하며, Arakawa B격자망으로 구성되어 있다. 공간적으로는 2차 중앙차분을 적용하고 있으며, 기상분석과 관측자료의 4차원자료동화가 가능하며, 다중격자방법의 둥지격자를 사용할 수 있다(김재철, 2006).
- 이중 MM5는 현재 우리나라 기상청에서 수치예보모델(30km 및 5km 해상도)로 활용되며 그 안정성이 입증되었다. 따라서 본연구에서는 3차원기상모델로서 MM5를 사용하였다. MM5 중규모기상모델은 시그마 좌표계로 쓰인 비정수 방정식계를 사용하며, Arakawa B격자망으로 구성되어 있다.
- 겨울(1월)과 여름기간(8월) 동안의 기상모델 검증을 통하여 기상대 2 지점(안성:516, 평택:551)의 실측과 모델결과를 대상기간 동안 통계분석 하였다. 통계분석의 경우 표 2에 제시한 6가지 통계 방법을 사용하여 모델을 평가하였다(이종범 등, 2007).
성능/효과
- 그 결과 8월 6일부터 8월 14일까지는 도시개발 전·후 모두 야간에도 불쾌지수가 높게 나타났다.
- 온도의 경우 CASE_B의 지표온도 분포에서 CASE_A의 지표온도 분포차이를 나타내어 도시가 생성된 후 주간과 야간의 온도변화를 나타내었다. 그 결과 도시가 생성된 모델 격자를 중심으로 여름 기간과는 반대로 주간의 온도변화 폭보다 야간의 온도변화 폭이 약 3배 정도 큰 차이를 보였다.
- 여름기간(8월)에 대하여 비교적 풍속이 약하게 불고 일교차가 크게 나타났던 8월 7일의 06UTC(15LST)와 18UTC(03LST)의 도시건설 전·후 모델 결과를 각각 비교하였다. 그 결과 주간(06UTC)의 온도변화가 야간(18UTC)의 온도차이보다 큰 폭으로 바뀐 결과를 보였다. 이것은 도시가 생성되며 낮 동안의 온도 상승폭이 더 커졌기 때문으로 사료된다(그림 10).
- 그림 8은 여름(8월)기간 동안의 온도를 도시개발 전·후로 구분하여 실측값과 비교하였다. 대상기간 동안의 일주기패턴은 CASE_A, CASE_B 모두 실측결과와 유사한 결과를 나타내고 있고, CASE_B의 경우 도시가 생성된 후 낮 최고 기온이 CASE_A보다 약 2.5℃높아진 결과를 보이고 있다. 모델결과의 차이(CASE_B - CASE_A)를 보았을 때 도시건설 후의 결과가 주간과 야간 모두 높아진 결과를 보이고 있다.
- 보통(41~32) 역시 183이였던 것이 247로 발생횟수가 크게 증가하였다. 따라서 도시개발에 따라 기온과 습도의 변화로 열사/일사병의 위험이 높아진 결과를 보였다.
- 여름의 경우 CASE A와 B 모두 대상지역 최대혼합층고도가 2000m 이상 높게 발달하였다. 또한 도시건설 후 도시가 형성된 격자를 중심으로 혼합층고도의 분포가 바뀌는 결과를 보였다. 이것은 도시가 생성되며 도시 주변의 혼합층 고도까지 영향을 주는 결과를 보여준다.
- 본 연구에서 제시한 도시열섬 예측과 건강영향 평가기법을 가상적인 도시에 적용한 결과 도시열섬현상을 적절하게 모사하였다. 또한 모델결과로 부터 열환경에 관계되는 생활기상지수와 생명기상기수를 산출한 결과 지표면 변화로 인하여 주변지역의 기상환경이 바뀔 수 있음을 입증하였다. 앞으로 건강영향평가를 도입하여 제도화 하가 위해서는 더욱 신뢰도 높은 건강영향평가기법 개발이 선행되어야 할 것이다.
- 본 연구에서 제시한 도시열섬 예측과 건강영향 평가기법을 가상적인 도시에 적용한 결과 도시열섬현상을 적절하게 모사하였다. 또한 모델결과로 부터 열환경에 관계되는 생활기상지수와 생명기상기수를 산출한 결과 지표면 변화로 인하여 주변지역의 기상환경이 바뀔 수 있음을 입증하였다.
- 열지수 단계별 발생 횟수를 도시개발 전·후로 구분한 결과 매우 높음 단계(53이상)는 없으며 높음(41~54)은 CASE_A에서 8회였던 것이 CASE_B에서 53으로 증가하였다.
후속연구
- 본 연구의 목적은 도시개발에 따른 적절한 대기질 평가 방법을 검토하고 도시열섬 예측과 건강평가 방법에 대해 연구하는 것이다. 또한 이 방법을 적용하여 우리나라 중부지방에 가상적인 도시를 건설하여 도시건설에 따른 기상변화와 건강에 미치는 영향을 산출함으로서 도시건설에 따른 건강영향평가방법의 유용성을 확인할 것이다. 그리고 실제 적용 시 해결해야할 문제점을 검토하여 해결방안을 제안하고자 한다.
- 또한 모델결과로 부터 열환경에 관계되는 생활기상지수와 생명기상기수를 산출한 결과 지표면 변화로 인하여 주변지역의 기상환경이 바뀔 수 있음을 입증하였다. 앞으로 건강영향평가를 도입하여 제도화 하가 위해서는 더욱 신뢰도 높은 건강영향평가기법 개발이 선행되어야 할 것이다.
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