[논문]동절기 고층건물 풍하면의 기온역전에 관한 연구

정해연; 김문성; 오성남; 이규석

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To determine nocturnal inversion characteristics at the leeward side of high-rise building, air temperature data were observed at 10 minute interval from February 22, 2010 to April 15, 2010. The observed data were compared, analyzed and examined to illustrate air temperature differences between the ...

To determine nocturnal inversion characteristics at the leeward side of high-rise building, air temperature data were observed at 10 minute interval from February 22, 2010 to April 15, 2010. The observed data were compared, analyzed and examined to illustrate air temperature differences between the roof (XAR) and surface (XAG) of X apartment. The wind speed, wind direction and precipitation data were also observed at XAR and YJL (Yangjae Stream) sites at the same time. After the analysis, the maximum nocturnal inversion was observed by $4.0^{\circ}C$ at 3:40, 3:50, 4:10 on February 24th 2010, at that time the weather condition was clear and weak wind. Air temperature inversions at the leeward side of high-rise building were observed on whole day in wintertime and air temperature inversion intensity was also higher than other nearby area (SMG).

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문제 정의

, 1985), 도심지 수직기온의 차이에 관한 연구 (Demarrais, 1960) 등이 있지만 고층건물을 대상으로 한 풍하측의 기온역전 발생에 관한 연구는 지금까지 수행된 바 없다. 따라서 본 연구에서는 도시의 초고층빌딩이 기온역전에 미치는 영향을 파악하기 위하여 빌딩의 풍하면에서의 기온역전 현상을 관측하였다.
본 연구는 서울의 대표적 고층 건물의 풍하측의 기온역전 현상을 파악하고자 2010년 2월 22일부터 4월 15일까지 X아파트의 지상 XAG와 45m 높이의 옥상 XAR에서 기온을 관측해 분석한 결과 동절기 고층건물 풍하면에서는 기온역전 현상이 24시간 지속되고 기온역전 강도도 고층건물 주변 다른 지점보다 높게 관측되어 역전층 하에서 오염물질의 침적이 예상되므로 고층건물단지 계획시 고려해야 할 사항으로 판단된다.
자료 분석은 6개 관측지점에서 관측한 전체 자료를 이용하여 관측기간 중 평균기온, 최고 기온, 최저 기온을 먼저 파악하였다. 이후 기온역전을 파악하기 위해서 XAR과 XAG의 최대 기온역전 값과 역방향 최대 기온차이를 추출하고 이 시각 기상특성을 파악하고자 동아시아 일기도 및 관련 AWS 자료를 조사하였다. 다음으로 동절기 월별 야간역전 특성은 3월은 15일 간격으로 전, 후로 구분하여 야간역전의 지속시간, 기온역전 강도를 파악하고 풍속 과 기온 역전의 관계를 파악하고자 관측된 풍속 자료를 이용하여 풍속이 3m/s 이하일 때와 8m/s 이상일 때를 구분하여 고층빌딩 풍하면에서의 기온역전 미기상환경을 분석, 고찰하였다.

제안 방법

고층건물 풍하면의 야간 기온역전 효과를 파악하고자 고층건물 풍하면에 위치한 X아파트의 옥상 (XAR)과 지상 (XAG)에서 관측하였다. 또한 주변의 기온을 관측하기 위해 고층건물 풍상면에 위치한 H 아파트 (HSA)와 고층건물 단지 내 도로협곡에 위치한 주상복합단지 (TPL), 고층건물 북쪽에 위치한 S 여고 (SMG), 고층건물 남쪽의 도심지 하천인 Y천 (YJL) 등 5곳을 포함하여 모두 6지점에서 2010년 2월 22일부터 2010년 4월 15일까지 10분 간격으로 기온을 관측하였다(Figure 1).
이후 기온역전을 파악하기 위해서 XAR과 XAG의 최대 기온역전 값과 역방향 최대 기온차이를 추출하고 이 시각 기상특성을 파악하고자 동아시아 일기도 및 관련 AWS 자료를 조사하였다. 다음으로 동절기 월별 야간역전 특성은 3월은 15일 간격으로 전, 후로 구분하여 야간역전의 지속시간, 기온역전 강도를 파악하고 풍속 과 기온 역전의 관계를 파악하고자 관측된 풍속 자료를 이용하여 풍속이 3m/s 이하일 때와 8m/s 이상일 때를 구분하여 고층빌딩 풍하면에서의 기온역전 미기상환경을 분석, 고찰하였다.
월별 기온역전의 지속시간과 기온역전 효과를 분석하기 위하여 관측기간을 15일 단위로 분류하였다 (Table 4). 기온역전 지속 시간은 4월을 제외하고는 2, 3월 모두 24시간 지속되었으며 4월도 21:10 시작돼 다음날 17:20에 끝나 21시간 이상 역전현상이 지속되었다.
자료 분석은 6개 관측지점에서 관측한 전체 자료를 이용하여 관측기간 중 평균기온, 최고 기온, 최저 기온을 먼저 파악하였다. 이후 기온역전을 파악하기 위해서 XAR과 XAG의 최대 기온역전 값과 역방향 최대 기온차이를 추출하고 이 시각 기상특성을 파악하고자 동아시아 일기도 및 관련 AWS 자료를 조사하였다.
또한 주변의 기온을 관측하기 위해 고층건물 풍상면에 위치한 H 아파트 (HSA)와 고층건물 단지 내 도로협곡에 위치한 주상복합단지 (TPL), 고층건물 북쪽에 위치한 S 여고 (SMG), 고층건물 남쪽의 도심지 하천인 Y천 (YJL) 등 5곳을 포함하여 모두 6지점에서 2010년 2월 22일부터 2010년 4월 15일까지 10분 간격으로 기온을 관측하였다(Figure 1). 측정 온도계는 Hioki-3632-20 Digital Thermal Data Logger이고 태양 복사에너지가 직접 전달되는 것을 차단하기 위하여 온도계를 공기순환계로 보호하였다. 지상 관측지점은 지면에서 2 ~ 2.

대상 데이터

5m 높이에 설치하였으며 옥상 관측지점을 제외한 지상에서 관측한 5개 지점의 고도는 차이가 없어 고도보정을 하지 않았다(Table 1). 관측 지점 중 XAR과 YJL 두 곳은 자동기상관측장비 (Automatic Weather Station, AWS)가 설치되었으며 풍속은 XAR의 3차원 초음파 풍향풍속계로 관측한 자료를 사용하였고 강수량은 YJL의 AWS에서 관측된 것을 사용하였으며 운량은 기상청 자료를, 일출 일몰 시각은 한국천문연구원의 자료를 이용하였다.
고층건물 풍하면의 야간 기온역전 효과를 파악하고자 고층건물 풍하면에 위치한 X아파트의 옥상 (XAR)과 지상 (XAG)에서 관측하였다. 또한 주변의 기온을 관측하기 위해 고층건물 풍상면에 위치한 H 아파트 (HSA)와 고층건물 단지 내 도로협곡에 위치한 주상복합단지 (TPL), 고층건물 북쪽에 위치한 S 여고 (SMG), 고층건물 남쪽의 도심지 하천인 Y천 (YJL) 등 5곳을 포함하여 모두 6지점에서 2010년 2월 22일부터 2010년 4월 15일까지 10분 간격으로 기온을 관측하였다(Figure 1). 측정 온도계는 Hioki-3632-20 Digital Thermal Data Logger이고 태양 복사에너지가 직접 전달되는 것을 차단하기 위하여 온도계를 공기순환계로 보호하였다.
본 연구의 대상지는 서울시 강남구 도곡동에 위치한 고층 주상복합아파트 단지로서 높이는 191m ~264m의 주상복합아파트와 업무용 빌딩으로 이루어진 고밀도상업업무지구의 풍하면에 위치한 아파트이다. 고밀도 상업업무지구는 길이 500m, 너비 300m의 작은 블록에 한국 초고층건물 상위 25 곳 중 6개의 건물이 집중되어 있고 도로 폭이 좁고 빌딩이 높기 때문에 연구대상지의 sky view factor (SVF)가 작은 도로협곡(urban street canyon)이 형성되고 있다(Figure 1).
연구대상지는 지리적으로 중위도 온대성 기후대에 위치하여 사계절이 뚜렷하고 겨울에는 대륙성 고기압의 영향으로 춥고 건조하며, 여름에는 고온다습한 북태평양 고기압의 영향으로 무더운 날씨를 보이고 봄과 가을에는 이동성 고기압의 영향으로 맑고 건조한 날씨이다. 지형학적으로 대상지는 북으로 매봉산(90m)과 남으로는 도곡동과 개포동사이 양재천이 흐르고 있으며 남쪽에 대모산(293m), 구룡산(283m)등이 위치하고 있고 겨울철은 북서풍이 탁월풍으로서 매봉산을 거쳐 대상지로 유입되어 (김재철·이규석, 2007) 본 연구에서는 고층건물 동쪽을 풍하면으로 정의하였다.

성능/효과

이로부터 바람이 약할 때 기온역전이 심한 것을 확인할 수 있었으며 초고층빌딩 지역에서 풍속이 강할 때에는 비록 기온역전 현상은 발생하지 않았지만 이런 강풍은 하루 종일 지속적으로 부는 것이 아니라 일시적이기 때문에 초고층 건물 풍하면에서의 장기간의 기온역전 현상은 오염물질을 누적시킬 것으로 판단된다.
관측기간 중 최고기온이 고층주상복합지점인 TPL에서 관측되지 않은 것은 고층건물에 가려서 낮에 햇빛이 TPL에 도달하지 못했기 때문으로 판단된다. 평균기온은 TPL과 SMG가 7.1℃로 가장 높게 나타났고 그 다음으로 HSA와 XAR가 7.0℃, XAG 6.7℃, YJL 6.5℃ 순으로 관측돼 도시하천의 연평균 기온이 가장 낮게 나타났고, 고밀도 토지이용에 의한 인공폐열이 많은 곳일수록 기온이 높게 나타났다(Table 2).

후속연구

본 연구의 제약점은 2월부터 4월까지의 관측 자료로 고층빌딩 풍하면의 동절기 기온역전 현상을 분석하였으나 12월과 1월 자료도 관측하여 계절적 특성을 파악할 필요가 있다.
상술한 바와 같이 고층건물 주변에는 독특한 미 기상현상이 관측되고 있고 그 가운데 풍하면에서의 기온역전현상은 야간에 국한되지 않고 동절기에 하루 종일 지속되고 있어 오염물질이 침적돼 대기환경을 악화시키게 되므로 현재의 대부분 고층빌딩 환경영향평가서에서 “국부적인 영향은 있으나 전면적인 기상 영향은 미미할 것으로 판단 됨”이라고 평가되어 있는 것은 고층빌딩 주변의 미기상 환경 변화를 제대로 반영한 것이 아니므로 보다 정확한 영향평가가 필요하다고 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기온역전현상은 계절적으로 언제 뚜렷하게 나타나는가?	야간의 지속 시간이 길수록 복사냉각 시간이 길어진다. 따라서 기온역전현상은 계절적으로는 가을부터 겨울, 특히 기온이 낮은 동절기에 뚜렷하게 나타나며 일몰 후부터 일출 전에 발생하여 해가 뜨면 역전현상이 해소되거나 혹은 날씨가 맑은 고기압 일기상태에서 수일간 또는 수주일간 지속되는 경향이 있다 (Landsberg, 1981; 김연옥, 1987, Oke, 1987; 김종규, 2006).
	기온 역전현상의 대표적인 예시인 1952년 영국 런던에서 발생했던 기온 역전층의 형성은 어떤 현상에 의해 발생했는가?	기온 역전현상은 대기의 수직운동을 억제하고 미 기상학적 대류운동이 감소하여 대기의 오염물질이 대기층으로 확산되지 못해 지표부근의 오염농도를 높인다. 대표적인 예로 1952년 영국 런던의 대기 침강 현상에 의하여 발생한 기온 역전층의 형성은 석탄 사용으로부터 발생된 아황산가스 오염물질의 확산을 억제하여 수천 명의 사상자가 발생하였다 (Bonacica, 1953). 국내에서는 임윤규 등(2005)은 울산지역 야간 역전에 따른 대기오염도 변화와의 관계를 분석하였고 각 대기오염 물질별 농도분포 특성이 역전강도에 따라서 다르게 나타난다고 하였다.
	복사역전이란 무엇인가?	기온은 고도가 상승함에 따라 감소되는 것이 일반적인 현상이나 맑은 날 야간의 복사(輻射)현상은 지면을 냉각시켜 지표층의 기온이 상공보다 낮아져서 기온 역전이 발생하는데 이를 복사역전 또는 야간역전 (夜間逆轉)이라고 한다(Ahrens: 2008, Andre and Mahrt: 1982). 야간의 지속 시간이 길수록 복사냉각 시간이 길어진다.

참고문헌 (19)

김연옥, 1987, 기후학 개론, 정익사, 118-119.
김재철, 이규석, 2007, 초고층건물 탁월풍 방향의 바람 특성에 관한 연구, 환경영향평가학회지, 16(6), 503-510.
김영덕, 1998, 빌딩바람에 의한 환경장해와 그 대책, 한국풍공학회지, 2(1), 23-27.

상세보기
김종규, 2006, 기후학, 시그마프레스, 194
신지웅, 이용준, 김태연, 이경희, 2005, 보행자 영역의 빌딩풍해 저감 방안에 관한 연구, 대한건축학회지, 25(1), 147-150.
이부용, 김두석, 문승의, 1994, 일본 쯔쿠바에서의 한후기 동안 기온역전의 특성에 관한 연구. 한국환경과학회지, 3(3), 217-228.

원문보기 상세보기
임윤규, 김유근, 오인보, 송상근, 2005, Tethersonde와 기상탑 관측 자료를 이용한 울산지역 야간 역전에 따른 대기오염도 변화와의 관계, 한국환경과학회지, 14(6), 555-563.

원문보기 상세보기
정해연, 이규석, 2010, 동절기 도심지 기온역전에 관한 연구, 환경복원녹화, 13(1), 40-46.

원문보기 상세보기
Ahrens, D. C., 2008, Essentials of Meteorology. An Invitation to the Atmosphere 5th ed. Belmont. Thomson Learning Inc., 57, 70
Andre, J. C. and Mahrt, L., 1982, The nocturnal surface inversion and influence of clear-air radiative cooling, Journal of the Atmospheric Sciences, 39, 864-878.

상세보기
Bonacica, L. C. W., 1953, An estimation of the great London fog of 5-8 December 1952, Weather, 8, 333-334.

상세보기
De Marrais, G. A., 1960, Vertical Temperature Difference Observed over an Urban Area, Bulletin American Meteorological Society, 42(8), 548-554.
Godowitch, J. M., Ching, J. K. S., and Clarke, J. F., 1985, Evolution of the Nocturnal Inversion Layer at an Urban and Nonurban Location, Journal of Applied Meteorology, 24(8), 791-804.

상세보기
Landsberg, Helmut E., 1981, The urban climate, Academic press, 54, 111.
Oke, T. R., 1987, Boundary Layer Climates, 2nd ed. Routledge, 264, 310-313.
Ologson, K. F. G., Andersson, P. U., Hallquist, M., Ljungstrom, E., Tang, L., Chen, D., and Pettersson, J. B. C., 2009, Urban aerosol evolution and particle formation during wintertime temperature inversion, Atmospheric Environment, 43(2), 340- 346.

상세보기
Whiteman, C. D., Kring, D. A., and Hoch, S. W., 2008, Diurnal evolution of atmospheric structure within Meteor Crater, Arizona: implications for microniches on mars, Lunar and Planetary Science XXXIX.
http://www.kma.go.kr/sfc/sfc_03_05.jsp
http://www.kasi.re.kr/Knowledge/sunmoon_map.aspx

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