WRF / ENVI-met 통합모형을 적용한 도시 공원의 경계 조건 및 열역학적 영향 분석 연구 Study on the Impacts of Lateral Boundary Conditions and Thermodynamics of Urban Park using Coupling System of WRF / ENVI-met원문보기
Since the late 20th century, the urbanization in Korea has been rapidly increasing, especially in major cities like Seoul, as a result of industrialization. One of the aspects of urbanization is coating the surfaces with impervious concrete or asphalt that water cannot penetrate. In addition, variou...
Since the late 20th century, the urbanization in Korea has been rapidly increasing, especially in major cities like Seoul, as a result of industrialization. One of the aspects of urbanization is coating the surfaces with impervious concrete or asphalt that water cannot penetrate. In addition, various urban, such as urban heat islands, which also have a great impact on the urban environment, occur within the cities. Therefore, the urban environment is gradually becoming hot and dry, and the need for more urban parks to compensate for these negative impacts is growing. Thus, several numerical studies have been conducted to assess these problems using coupled Numerical Weather Prediction (NWP) and Computational Fluid Dynamics (CFD). In this study, an experiment was conducted to determine the accuracy of the area of the input field using Weather Research and Forecasting (WRF) model, and applying the more accurate input field to a numerical simulation using ENVI-met, in order to investigate the effect of urban parks on the thermal comfort. The results showed that an input field with a larger area is more accurate than that with a smaller area, because the surrounding terrain and cities are considered in details in the experiment with the larger area. Subsequently, the more accurate input field was used in ENVI-met, and the results of this simulation showed that the presence of the urban park increased the thermal comfort and improved the humidity conditions.
Since the late 20th century, the urbanization in Korea has been rapidly increasing, especially in major cities like Seoul, as a result of industrialization. One of the aspects of urbanization is coating the surfaces with impervious concrete or asphalt that water cannot penetrate. In addition, various urban, such as urban heat islands, which also have a great impact on the urban environment, occur within the cities. Therefore, the urban environment is gradually becoming hot and dry, and the need for more urban parks to compensate for these negative impacts is growing. Thus, several numerical studies have been conducted to assess these problems using coupled Numerical Weather Prediction (NWP) and Computational Fluid Dynamics (CFD). In this study, an experiment was conducted to determine the accuracy of the area of the input field using Weather Research and Forecasting (WRF) model, and applying the more accurate input field to a numerical simulation using ENVI-met, in order to investigate the effect of urban parks on the thermal comfort. The results showed that an input field with a larger area is more accurate than that with a smaller area, because the surrounding terrain and cities are considered in details in the experiment with the larger area. Subsequently, the more accurate input field was used in ENVI-met, and the results of this simulation showed that the presence of the urban park increased the thermal comfort and improved the humidity conditions.
또한 중규모 기상수치해석 모형을 통해 생산된 전산유체역학 모형의 입력장의 검증을 위해 중규모 기상수치해석 모형의 도메인 크기에 따른 입력장 결과를 비교 분석해보았다. 이를 통해 도시규모의 고해상도 수치모의를 함에 있어서 중규모 기상모형과 미규모 전산유체역학 모형의 통합 모형의 활용 가능성을 제시해 보고자하였다.
제안 방법
본 연구에서는 중규모 기상수치해석 모형과 미규모 기후&전산유체역학 모형을 사용하여 도시 공원에 의한 도시 환경의 개선 효과를 수치모의 해보았다. 또한 중규모 기상수치해석 모형을 통해 생산된 전산유체역학 모형의 입력장의 검증을 위해 중규모 기상수치해석 모형의 도메인 크기에 따른 입력장 결과를 비교 분석해보았다. 이를 통해 도시규모의 고해상도 수치모의를 함에 있어서 중규모 기상모형과 미규모 전산유체역학 모형의 통합 모형의 활용 가능성을 제시해 보고자하였다.
본 연구에서는 중규모 기상수치해석 모형과 미규모 기후&전산유체역학 모형을 사용하여 도시 공원에 의한 도시 환경의 개선 효과를 수치모의 해보았다. 또한 중규모 기상수치해석 모형을 통해 생산된 전산유체역학 모형의 입력장의 검증을 위해 중규모 기상수치해석 모형의 도메인 크기에 따른 입력장 결과를 비교 분석해보았다.
대상 데이터
본 연구에서 선정한 사례일은 2014년 6월 17일 09 LST (Local Standard Time) 부터 6월 19일 09 LST까지 총 48시간 중에서 기상수치해석 모형의 초기 스핀 업을 제외한 6월 18일 하루를 대상으로 하였다. Fig.
본 연구에서는 한국에서 도심이 가장 크게 발달되어 있으며 약 천만 명의 인구가 거주하는 서울시를 대상으로 하였고, 동작구에 위치한 보라매공원과 주변 시가지역에 대하여 도시 공원의 녹지 효과를 상세히 분석해보았다.
이론/모형
본 연구에서 사용한 미규모 CFD 모형은 ENVI-met이다. ENVI-met 모형은 도시환경에서의 대기-지면- 식생 간의 상호작용을 수치모의 할 수 있는 3차원의 미규모 기후모형이자 전산유체역학 모형이다.
성능/효과
반면 잔디의 경우 지표면 온도와 현열 플럭스의 일변화가 각각 15ºC , 200W/m2 정도 나타났다. 기온과 비습의 수평장을 분석한 결과 기온의 경우 공원과 시가지역간의 차이가 최대 2ºC 정도 났으며 공원이 아닌 시가지역에서도 고층 건물에 의한 후류효과로 인해 냉각이 나타나기도 하였다. 비습의 경우 최대 2 g/kg 공원에서 더 생성되었으며 기온과 함께 풍하측 방향으로 퍼지는 모습을 보였다.
ENVI-met 도메인 내에 포함되는 4가지 대표적인 토지피복별 지표면 온도와 열 플럭스를 비교해보았다. 도로와 시가지를 나타내는 아스팔트와 콘크리트의 경우 불투수성의 지면이기 때문에 잠열 플럭스의 값은 나타나지 않았으며 지표면 온도와 현열 플럭스의 경우 비슷한 값이 나타났다. 공원을 구성하는 나무와 잔디의 경우에는 꽤 다른 양상을 보였다.
관측에서 나타난 극값이 ENVI-met에서 잘 나타나지 않았기에 상관계수와 IOA는 WRF 모형의 값이 더 좋았지만, 오차의 크기를 나타내는 ME, MAE, RMSE는 ENVI-met 모형이 WRF 모형보다 더 좋은 값을 나타냈다. 사람이 느끼는 열 쾌적감을 나타내는 지수인 PMV 수평장을 분석한 결과 공원에서는 PMV 값이 최대 1.5를 넘지 않았으며 시가지역은 2 이상의 덥다고 느끼는 값이 전반적으로 나타났지만 고층 건물의 그림자가 지는 곳에서는 일사의 차단으로 인해 PMV가 낮게 나타났다.
후속연구
이를 통해 도시규모의 고해상도 분석에 있어서 수치모형을 이용한 연구를 관측치와의 비교를 통해 검증하였으며 어느 정도 유의한 결과를 나타낸 것으로 보인다. 하지만 도시규모에서의 추가적인 관측과 함께 더 상세한 연구가 앞으로 이루어져야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
공원의 지면이 토양으로 되있는 것의 장점은?
앞서 언급한 도시의 고온, 건조한 환경을 개선하기 위해 녹지의 필요성이 커지고 있으며 도심의 녹지공간으로는 도시 공원이 가장 대표적이다. 불투수성의 포장된 지면의 도심과는 달리, 공원의 경우 지면이 토양으로 되어있어 지중에 수분을 포함하고 있고 식생이 풍부하기 때문에 증발산 작용을 통한 수증기의 발생원으로 작용하여 주변 도심으로 수증기를 공급하는 역할을 한다. 또한 공원을 구성하는 나무와 잔디와 같은 식생은 도심보다 훨씬 낮은 기온 분포를 보인다 (Spronken-Smith and Oke, 1999).
도시규모를 대상으로 하는 수치모형 중 중규모 기상수치해석 모형에 대해 설명하라
중규모 혹은 종관규모의 기상수치해석(numerical weather prediction) 모형과 수 십 m 이하의 초 고해상도 공간 해상도를 가진 전산 유체역학 모형이 있다. 우선 중규모 기상수치해석 모형의 경우 일반적으로 도시규모가 아닌 종관규모나 중 규모에서의 기상을 분석하기 때문에 더 작은 규모에서의 마찰항과 같은 부분이 상세히 표현되지 않고, 도시 지역의 모수화를 통해 계산이 이루어지며 도시의 상세한 고해상도의 계산이 어렵다고 볼 수 있다. 전산유체 역학 모형의 경우 매우 상세한 공간 해상도의 계산이 가능하지만 그만큼 시간적, 기계적으로 뛰어난 계산 자원을 필요로 한다.
식생에 의한 증발산 작용은 어떠한가?
또한 공원을 구성하는 나무와 잔디와 같은 식생은 도심보다 훨씬 낮은 기온 분포를 보인다 (Spronken-Smith and Oke, 1999). 식생에 의한 증발산 작용은 수증기의 공급뿐 만 아니라 기온을 감소시키는 역할도 하며, 특히 나무의 경우 그늘에 의한 일사의 차단으로 기온 저감 효과가 매우 크다. 따라서 도시공원은 주변에서 생활하는 거주자와 보행자들에게 쾌적한 환경을 제공한다(Spronken-Smith and Oke, 1999; Kwon et al.
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