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문제 정의
- 본 연구에서는 uMM5를 이용하여 상세 건물군이 모두 고려된 수치실험과 고층건물군을 일반저층주거군으로 변조한 수치실험을 수행하여 고층건물군의 기상학적 영향을 정량적으로 평가하고자 하였다. 이는 도시화의 영향을 파악할 수 있는 연구로서 도시개발 및 환경관리 정책 결정에 중요한 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.
- 본 연구에서는 도시 고층건물군이 연안도시 기상장에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다. 이를 위해 도시형 중규모모델(uMM5, urbanized MM5)의 적용과 함께 모델 입력자료로 요구되는 고해상도 지표면 자료(도시구조물, 지형 등)를 생성 및 사용하였다.
- uMM5에서는 건물군의 특성(높이 및 용도)을 고려한 도시하부카테고리 입력정보를 요한다(표 1). 본 연구에서는 부산지역의 각 지번별 건축물 대장을 바탕으로 부산지역의 3차원 건축물 분포를 재연하여 입력자료를 구축하였다. 본 실험에서는 도시하부카테고리 중 고층건물군에 속하는 하부카테고리 6과 7을 부산지역의 가장 일반적인 분포인 하부카테고리 2 (5층 이하의 일반저층주거군)로 변조시킴으로써 고층 건물의 효과를 제거하였으며(그림 2), 이후 본문에서 변조지역으로 지칭하였다.
제안 방법
- 1200 LST에는 uMM5base 실험에서 모의된 기온보다 최대 0.9℃ 증가가 나타났으며, 이후 도시캐노피 내의 에너지수지와 연관하여 추가적인 분석을 수행하였다. 한편 풍속의 경우, 특징적으로 해운대(HUD)와 북구(BG) 인근을 중심으로 풍속증가(최대 +1.
- 1. Topographic map including locations of meteorological sites (BWS: Busan weather station, MN: Myeongnyun, BG: Bukgu, JN: Jin, SY: Suyeong, HUD: Haeundae, DY: Daeyeon, and YD: Yeongdo) and five horizontal domains for uMM5 simulation (lower right).
- 고층건물군 변조에 따른 주간 기온상승 원인을 자세히 살펴보기 위해 2006년 8월 6일의 1200 LST의 현열속, 저장열속의 공간적 분포를 나타내었다(그림 6). 여기서 잠열속의 변화는 잠열 및 그 변화량이 거의 0 W m-2에 가까워 생략하였다.
- 모델링 영역은 총 5개로, 동아시아를 포함하는 첫번째 영역(81 km 격자간격)부터 부산지역을 포함하는 마지막 영역(1 km 격자간격)으로 구성된다(그림 1). 마지막 영역은 하부 100 m 내에 6개 층(1, 3, 6, 12, 27, 63 m)으로 세분화하여 건물군 효과를 상세히 고려하였다. 모델링 사례기간은 2006년 8월 3일부터 8일간이며, 부산지역은 북태평양 고기압의 가장자리에 위치해 종관기압경도가 매우 약했다(포항고층기 상대의 850 hPa 풍속, 3 m s-1 이하).
- 본 연구에서는 부산지역의 각 지번별 건축물 대장을 바탕으로 부산지역의 3차원 건축물 분포를 재연하여 입력자료를 구축하였다. 본 실험에서는 도시하부카테고리 중 고층건물군에 속하는 하부카테고리 6과 7을 부산지역의 가장 일반적인 분포인 하부카테고리 2 (5층 이하의 일반저층주거군)로 변조시킴으로써 고층 건물의 효과를 제거하였으며(그림 2), 이후 본문에서 변조지역으로 지칭하였다. 참고로 하부카테고리 6과 7은 모델 내에 모수화를 통해 도시의 공간적 구조변화(건물군의 높이 및 건물이 차지하는 면적)가 기상모델에 재입력되었다(표 1 참조).
- 참고로 하부카테고리 6과 7은 모델 내에 모수화를 통해 도시의 공간적 구조변화(건물군의 높이 및 건물이 차지하는 면적)가 기상모델에 재입력되었다(표 1 참조). 실제 모든 건물군을 고려한 수치실험을 uMM5base로 명하고, 고층건물군을 변조한 수치실험을 uMM5modi로 명하였다. 여기서 변조 도시하부카테고리에 따라 해풍 및 해풍전선의 구조변화는 다양하게 나타날 것으로 사료되며, 본 연구에서는 도시의 일반적인 카테고리 2로 변조한 것에 한정됨을 명시한다.
- 그림 5는 uMM5modi의 기온/바람장을 제시하고 기온 및 풍속의 변화(uMM5modi-uMM5base)를 각각 제시하였다. 여기서 해풍이 가장 뚜렷하게 관측된 6일을 중심으로 나타내었으며, 고층건물군의 제거효과를 고려해 50 m 기온 및 바람장 분포를 분석하였다.
- 5에 도시캐노피모수화(Urban Canopy Parameterization, UCP)가 추가되어 도시구조물들에 의한 역학적/열역학적 효과가 추가된 모델이다. 역학적 효과는 운동방정식과 TKE (Turbulent Kinetic Energy)방정식의 개선을 통해 도시구조물들에 의한 항력 및 TKE의 증가를 고려하였다. 열적 효과는 온도방정식과 지표에너지수지를 통해 모수화되었으며, 에너지수지에 도시 내 빌딩들 사이의 복사 갇힘과 그림자 효과가 고려되었다.
- 4 m s-1)가 나타나는 모습이다. 즉 단파복사의 감소와 함께 저장열의 감소가 유도됨으로써 결과적으로 새벽시간대와 마찬가지로 고온역 약화가 유도된 것으로 이후 열수지 분석에서 구체적으로 제시하였다.
- 지형적으로 뚜렷한 차이를 나타내는 해운대(HUD)지역(x, y=39, 31)과 서면(JN)지역(x, y=31, 33)을 중심으로 기온 및 풍속의 변화량(uMM5modi-uMM5base)을 집중분석하였다(그림 3, 4). 여기서 해운대 지역은 부산연안에 위치하고 고층대단지 아파트가 밀집한 대표적 뉴타운지역이며, 서면지역은 부산의 대표적 도심으로 주위에 높은 산들이 둘러싸인 골에 위치한 지점이다.
- 실험(모델링)은 부산지역을 대상으로 해풍발달이 뚜렷하게 나타난 2006년 8월 4~8일 동안 이루어졌고, 도시구조물의 인위적 변조(고층건물군을 일반저층주거군으로 바꿈)에 따른 모델값의 변화를 분석하였다. 특히 연안도시의 대표적인 기상현상인 해풍이 뚜렷하게 발달한 6일을 중심으로 기온, 바람, 캐노피에너지수지 변화를 중점적으로 파악하였다.
- 해운대를 중심으로 각 실험별 에너지수지 일변화(그림 7a와 7b)와 두 실험의 변화량(그림 7c)을 분석하였다. 먼저 uMM5base의 경우(그림 7a), 순열수지는 0700 LST부터 1800 LST까지 양의 값을 나타내었으며, 현열속과 저장열속이 주요 요소로 작용하고 잠열 속은 앞서 제시하였듯이 도심지의 경우 거의 0 W m-2에 가까운 값을 나타내었다.
대상 데이터
- 모델링 사례기간은 2006년 8월 3일부터 8일간이며, 부산지역은 북태평양 고기압의 가장자리에 위치해 종관기압경도가 매우 약했다(포항고층기 상대의 850 hPa 풍속, 3 m s-1 이하).
- 모델링 영역은 총 5개로, 동아시아를 포함하는 첫번째 영역(81 km 격자간격)부터 부산지역을 포함하는 마지막 영역(1 km 격자간격)으로 구성된다(그림 1).
- 본 연구에서는 부산지역을 대상으로 해풍 수치모델링을 위해 PSU/NCAR MM5의 도시형 버전(uMM5; urbanized MM5)을 이용하였다. 이는 MM5 version 3.
- 이를 위해 도시형 중규모모델(uMM5, urbanized MM5)의 적용과 함께 모델 입력자료로 요구되는 고해상도 지표면 자료(도시구조물, 지형 등)를 생성 및 사용하였다. 실험(모델링)은 부산지역을 대상으로 해풍발달이 뚜렷하게 나타난 2006년 8월 4~8일 동안 이루어졌고, 도시구조물의 인위적 변조(고층건물군을 일반저층주거군으로 바꿈)에 따른 모델값의 변화를 분석하였다. 특히 연안도시의 대표적인 기상현상인 해풍이 뚜렷하게 발달한 6일을 중심으로 기온, 바람, 캐노피에너지수지 변화를 중점적으로 파악하였다.
- 본 연구에서는 도시 고층건물군이 연안도시 기상장에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다. 이를 위해 도시형 중규모모델(uMM5, urbanized MM5)의 적용과 함께 모델 입력자료로 요구되는 고해상도 지표면 자료(도시구조물, 지형 등)를 생성 및 사용하였다. 실험(모델링)은 부산지역을 대상으로 해풍발달이 뚜렷하게 나타난 2006년 8월 4~8일 동안 이루어졌고, 도시구조물의 인위적 변조(고층건물군을 일반저층주거군으로 바꿈)에 따른 모델값의 변화를 분석하였다.
데이터처리
- 건물군 변조 영향을 정량적으로 살펴보고자, 모델링 기간(2006년 8월 4일~8일) 동안 AWS 관측지점을 중심으로 MB (Mean Bias error), RMSE (Root Mean Square Error), Vector R (Vector correlation coefficients)을 계산하여(표 2), 두 실험결과를 통계적으로 분석하였다(표 3). 두 실험의 바람벡터 상관계수(Vector R)는 0.
성능/효과
- 일변화를 살펴보면, 주간에 0800~1800 LST까지 열속의 순변화량은 현열속의 증가에 따라 양의 값을 나타낸 반면, 야간에는 저장열 감소에 따라 열속의 순변화량은 작은 음의 값을 보였다. 결과적으로 주야간의 열속변화를 통해 고층건물군 변조에 따라 주간의 기온상승 및 야간의 도시열섬약화를 설명할 수 있었다.
- 두 실험의 기온차를 살펴보면(그림 3), 전반적으로 연안의 해운대보다 서면도심에서 기온변화가 뚜렷하였다. 구체적으로 살펴보면, 해운대는 일출 후부터 오후(1300~1500 LST)까지 기온증가(최대 약 +0.
- 4 m s-1)가 나타났다. 먼저 해풍이 가장 뚜렷했던 6일 1400 LST경, 해운대에서 최대 +2.3 m s-1(200 %) 증가가 모의되어 모델링 기간 중 가장 큰 변화를 보였다. 반면 서면은 정오경 풍속 증가폭이 오히려 감소하는 특징을 나타내었는데, 이는 수렴지역이 형성되면서 대기정체가 있었기 때문이다.
- 모델링 결과, 도시지표의 고층건물군이 저층주거군으로 변화함에 따라 지표상태가 변화한 지역을 중심으로 기온과 풍속의 유의한 변화가 나타났다(RMSE는 각각 0.5~0.8°C, 0.8~1.8 m s-1).
- 여기서 해운대 지역은 부산연안에 위치하고 고층대단지 아파트가 밀집한 대표적 뉴타운지역이며, 서면지역은 부산의 대표적 도심으로 주위에 높은 산들이 둘러싸인 골에 위치한 지점이다. 모델링 기간 중 상대적으로 약한 종관력하에 해풍이 가장 뚜렷하게 관측된 8월 6~7일을 집중분석하였으며, 특히 6일의 경우 모델링 기간 중 가장 뚜렷한 해풍이 관측되었다.
- 여기서 잠열속의 변화는 잠열 및 그 변화량이 거의 0 W m-2에 가까워 생략하였다. 변조지점을 중심으로 주간 동안 현열속 증가 및 저장열속의 감소가 뚜렷하게 나타났으며, 특히 하부카테고리 7의 변조지점을 중심으로 해운대에서 그 변화폭이 가장 크게 나타났다.
- 본 연구에서는 연안도시의 고층건물군은 도시기상장(기온, 바람)에 큰 영향을 미칠 수 있음을 보여주었다. 최근 가속화된 도시화에 따른 연안지역의 지표면 변화(고층건물군 형성)는 주요 기상인자의 변화를 가져올 것으로 판단된다.
- Lemonsu and Masson (2002) 또한 Paris의 town 지역을 대상으로 여름철 주간에 현열이 약 200 W m-2을 보인 반면, 저장열은 두 배 이상의 높은 값을 보임을 제시하였다. 본 연구에서는 저장열속의 감소는(도심에서 잠열속은 거의 0 W m-2에 가까우므로) 현열속의 증가로 보상되며 이는 도시기상장 변화에 중요한 영향을 미친 것으로 사료된다.
- 연안 뉴타운지역(해운대)과 도심지역(서면)을 집중 분석한 결과, 해운대지역은 주간의 기온 상승과 풍속 증가가 뚜렷하였다(육지의 기온상승은 해양과의 온도경도를 크게 하여 해풍의 풍속을 강화시킴). 이는 복잡연안지역 바람장 모델링에 있어 연안 건물군이 모델입력자료로 정확히 고려되어야 함을 시사한다.
- 열속의 변화를 정리하면, 고층건물군의 제거에 따라 저장열속은 감소한 반면, 현열속은 증가하는 특징을 보였다. 일변화를 살펴보면, 주간에 0800~1800 LST까지 열속의 순변화량은 현열속의 증가에 따라 양의 값을 나타낸 반면, 야간에는 저장열 감소에 따라 열속의 순변화량은 작은 음의 값을 보였다.
- 역학적 효과는 운동방정식과 TKE (Turbulent Kinetic Energy)방정식의 개선을 통해 도시구조물들에 의한 항력 및 TKE의 증가를 고려하였다. 열적 효과는 온도방정식과 지표에너지수지를 통해 모수화되었으며, 에너지수지에 도시 내 빌딩들 사이의 복사 갇힘과 그림자 효과가 고려되었다. 모델에 대한 자세한 개요 및 모수화 방안은 Dupont et al.
- 이후 일출 후 0900 LST에는 해풍발달과 함께 연안 및 도심을 중심으로 기온상승이 나타나며, uMM5base와 비교해보면 해운대(HUD)와 북구(BG) 지점을 중심으로 0.5°C 이상 기온상승이 나타났다.
- 열속의 변화를 정리하면, 고층건물군의 제거에 따라 저장열속은 감소한 반면, 현열속은 증가하는 특징을 보였다. 일변화를 살펴보면, 주간에 0800~1800 LST까지 열속의 순변화량은 현열속의 증가에 따라 양의 값을 나타낸 반면, 야간에는 저장열 감소에 따라 열속의 순변화량은 작은 음의 값을 보였다. 결과적으로 주야간의 열속변화를 통해 고층건물군 변조에 따라 주간의 기온상승 및 야간의 도시열섬약화를 설명할 수 있었다.
- 종합적으로 살펴보면, 고층건물군을 저층일반주거군으로 변조함으로써 전반적으로 주간의 기온 상승과 야간 기온 하강이 나타났으며, 풍속은 온도경도 증가에 따라 주간을 중심으로 강화되는 특징을 나타내었다. 지점별로 살펴보면, 해운대의 경우 연안에 위치하여 건물군변조가 기온에 미치는 영향은 상대적으로 작은 반면, 항력 감소 및 온도경도 증가로 해풍의 풍속 증가가 뚜렷이 나타났다.
- 종합적으로 살펴보면, 고층건물군을 저층일반주거군으로 변조함으로써 전반적으로 주간의 기온 상승과 야간 기온 하강이 나타났으며, 풍속은 온도경도 증가에 따라 주간을 중심으로 강화되는 특징을 나타내었다. 지점별로 살펴보면, 해운대의 경우 연안에 위치하여 건물군변조가 기온에 미치는 영향은 상대적으로 작은 반면, 항력 감소 및 온도경도 증가로 해풍의 풍속 증가가 뚜렷이 나타났다. 이는 연안 건물군이 해풍순환계 모사에 있어 정확히 고려되어야 함을 시사한다.
- 특징적으로 해풍전선후면의 풍속약화가 국지적으로 나타났다. 이는 해풍전선후면의 변조지역을 중심으로 기온증가가 나타나, 연안내륙지역의 온도경도 감소로 풍속약화가 유도된 것으로 사료된다.
- 한편 주간의 경우 국지적으로(특히 변조지역을 중심으로) 약 1°C의 기온상승이 나타났으며, 풍속은 연안을 중심으로 더욱 강화되기 시작하며 해풍침투와 함께 부산전역으로 확대되는 모습을 보였다. 특히 해운대를 중심으로 그 변화폭이 +2 m s-1 이상이 나타나 연안 고층건물군이 해풍침투에 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있었다.
- 연안의 온도경도 증가를 의미하며 결과적으로 이는 연안 해풍전선발달에 영향을 미칠 수 있음을 예상할 수 있다. 풍속의 변화를 살펴보면, 0500 LST에 비해 풍속강화정도가 커졌으며, 특히 uMM5base 실험에 비해 고층건물군이 밀집되어 있었던 서면(도심)을 중심으로 최대 1.2 m s-1 증가가 나타났다. 이는 앞서 제시한 바와 같이, 건물군변조에 따른 온도경도의 증가와 항력감소로 풍속 강화가 나타난 것으로 분석된다.
- 한편 전 모델링 기간 동안 기온과 풍속의 평균적인 변화는 각각 +0.6±0.13℃, -1.0±0.33 ms-1이었으며, RMSE는 각각 0.56℃, 1.02 ms-1을 나타내어 도시기상장에 유효한 변화가 있음을 알 수 있었다.
후속연구
- 본 연구에서는 uMM5를 이용하여 상세 건물군이 모두 고려된 수치실험과 고층건물군을 일반저층주거군으로 변조한 수치실험을 수행하여 고층건물군의 기상학적 영향을 정량적으로 평가하고자 하였다. 이는 도시화의 영향을 파악할 수 있는 연구로서 도시개발 및 환경관리 정책 결정에 중요한 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.
- 이는 해풍전선후면의 변조지역을 중심으로 기온증가가 나타나, 연안내륙지역의 온도경도 감소로 풍속약화가 유도된 것으로 사료된다. 하지만 고층건물군을 일반저층주거군으로 변조한 결과로 한정되며, 이후 고층건물군을 다른 하부카테고리로 변조한 다각적인 수치모의가 추가적으로 수행되어야 할 것으로 사료된다.
- 최근 가속화된 도시화에 따른 연안지역의 지표면 변화(고층건물군 형성)는 주요 기상인자의 변화를 가져올 것으로 판단된다. 향후 도시기후변화에 대응하고 대기질의 적절한 관리를 위해서는 건물군의 제어와 적절한 도시계획 정책이 장기적인 관점에서 마련되어야 할 것이다.
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