[논문]미시적 열섬현상 저감을 위한 도시 가로수 식재 시나리오별 분석 - 서울시를 대상으로 -

권유진; 이동근; 안새결

doi:10.14249/eia.2019.28.1.23

미시적 열섬현상 저감을 위한 도시 가로수 식재 시나리오별 분석 - 서울시를 대상으로 -
Urban Street Planting Scenarios Simulation for Micro-scale Urban Heat Island Effect Mitigation in Seoul 원문보기

환경영향평가 = Journal of environmental impact assessment, v.28 no.1, 2019년, pp.23 - 34

권유진 (서울대학교 협동조경학과) , 이동근 (서울대학교 조경시스템공학부) , 안새결 (서울대학교 조경시스템공학)

초록
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지구온난화는 해수면 상승이나 전 세계의 변덕스러운 기후와 같은 심각하면서 부차적인 문제를 야기한다. 2015년 여름에 심각한 폭염이 있은 이래로, 도시열섬에 대한 큰 관심이 모아졌다. 폭염 자체에 대한 연구뿐만이 아니라, 많은 연구가 온난화된 기후와 미시 기후에 적응하는 방법에 중점을 둔다. 기존 연구들의 상당부분은 도시열섬 효과를 완화하는 것인데, 이는 다양한 활동을 하고 있는 인구가 많은 도시 지역에 거대한 불침투성 표면이 존재하고 있기 때문이다. 또한 이 열 환경이 열 취약성에 의한 사망을 초래할 가능성이 높다는 것은 심각한 문제이다. 여름철 그린인프라의 냉각효과에 대한 논문이 많이 있어왔지만, 본 연구는 도시 협곡과 인접한 그린인프라 유형을 고려하여 가로수의 냉각 효과를 측정하는 데에 집중했다. 이 정량적 접근은 ENVI-met 시뮬레이션을 통해 서울의 상업지역 블록에서 진행되었다. 연구결과로 밀도가 높은 2열 식재가 단열식재보다 온도 변화에 더 민감하다는 것을 발견했다. 2열 식재 시나리오 중 가로수와 지표면 사이의 공간이 좁은 관목은 주간에 열을 저장하여 야간에 저장열 방출을 막아 더 높은 온도를 유지하는 것으로 밝혀졌다. 식생 공간의 냉각 효과를 정량화하면 미래의 비용 및 편익 평가 연구에 기여할 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Global warming becomes a serious issue that poses subsidiary issues like a sea level rise or a capricious climate over the world. Because of severe heat-wave of the summer in Korea in 2016, a big attention has been focused on urban heat island since then. Not just about heat-wave itself, many researches have been concentrated on how to adapt in this trendy warming climate and weather in a small scope. A big part of existing studies is mitigating "Urban Heat Island effect" and that is because of huge impervious surface in urban area where highly populated areas do diverse activities. It is a serious problem that this thermal context has a high possibility causing mortality by heat vulnerability. However, there have been many articles of a green infrastructures' cooling impact in summer. This research pays attention to measure cooling effect of a street planting considering urban canyon and type of green infrastructures in neighborhood scale. This quantitative approach was proceeded by ENVI-met simulation with a spatial scope of a commercial block in Seoul, Korea. We found the dense double-row planting is more sensitive to change in temperature than that of the single-row. Among the double-row planting scenarios, shrubs which have narrow space between the plant and the land surface were found to store heat inside during the daytime and prevent emitting heat so as to have a higher temperature at night. The quantifying an amount of vegetated spaces' cooling effect research is expected to contribute to a study of the cost and benefit for the planting scenarios' assessment in the future.

주제어

표/그림 (11)

그림 Figure 1. Study area street views (a, b, c) & Key map plan (d) (photos : Naver.com map street view)
그림 Figure 2. (a) Seasonal mean temperature, (b) location of CBD in Seoul (Seo 2014; Seoul Institute 2016)
그림 Figure 3. A: a domain of 3D view and B: a schematic plan for ENVI-met simulation
표 Table 1. Input parameters for a scenarios’ at ENVI-met simulation
그림 Figure 4. Seven scenarios a. VS (Single-row tree), b. VM (Straight single-row shrub), c. TT (Twisted double-row tree), d. SDT (Straight doublerow tree), e. TM (Twisted double-row tree and shrub), f. TS (Twisted double-row shrub), g. VSD (Straight doublerow shrub), profiles and sections of AA’~GG’
그림 Figure 5. ENVI-met Simulation flow chart for seven scenarios (a process from input data using DATABASE to output data)
그림 Figure 6. Hourly temperature shift of 7 scenarios presenting a different gap between day and night
그림 Figure 7. Temperature shift in 6 scenarios (VM, VSD, SDT, TS, TM, TT), a. Temperature shift in day time (15h), b. Temperature shift in night time (23h)
표 Table 2. Temperature shift & standard deviation on each scenario at day & night (unit: ℃)
그림 Figure 8. Heat flux diagram of TS & TT : At night TS and TT indicate that the storage heat is released from the surface of the earth and there is a difference in the numerical value of the emission heat under shrubs and trees.
표 Table 3. TT & TS significance test

AI 본문요약
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문제 정의

TM 과는 달리 관목을 엇갈리게 교차해서 2열 식재를 한 경우로써 수목이 그림자의 쿨링 효과를 제외한 온도 저감을 가져올 것인지의 여부를 알아보고자 구성된 시나리오이다.
교목과 관목을 교차해서 식재한 패턴으로 수목 위 공간에 거칠기를 줘서 협곡 안의 공간에 바람의 변화를 줬을 때 대기 온도의 변화를 알아보고자 설정한 시나리오이다.
따라서 건축물과 바닥재로 인한 알베도는 일정하다고 가정한다. 본 모델은 나무의 크기와 배치에 따른 기온 변화를 보기 위한 것으로 도시 협곡구조의 기온에 영향을 미치는 천공률이나 알베도(Albedo)의 변화에 의한 영향을 일제히 배제한다. 단, 건축물에 의한 그림자는 존재하여 시간에 따른 그림자 변화는 있다.
본 연구에서는 가로수 식재에 의한 2열 식재 혹은 단열 식재가 이루어질 경우, 시간별 온도 변화에 대해 ENVI-met 3D 시뮬레이션(Appendix 검증 참고)을 활용해서 식재시나리오가 열섬저감에 얼마나 기여하는지를 알아보았다.
이에 본 연구에서는 서울시내에서 여름철 평균 낮기온이 가장 높은 대표적 CBD중 하나인 강남역 일대의 도시 협곡 구조를 모델로 택하였다. 서울시의 도시계획이 허용하는 범위 내에서 가로수의 배치에 대한 시나리오를 구성하여 이에 따른 시간 변화적 온도 저감 효과를 계량적으로 구명해보고자 한다.
시나리오에 들어갈 교목과 관목은 서울의 가로수(Sung & Min 2003)를 참고한 수종을 중심으로 보편성을 갖고자 하였다.
관목들만 나란히 2열 식재를 한 시나리오이다. 엇갈리게 식재한 TS와 비교하여 온도변화 차이를 알아보고자 설정한 시나리오이다.
교목간 10m이고 교목과 관목의 중심간 거리를 5m로 하여 배치하였다. 이는 교목의 그림자 효과로 인한 쿨링효과 이외에도 그림자의 효과를 크게 창출하지 못하는 수고가 낮은 관목을 통해서도 온도 저감의 효과를 볼 수 있는지를 알아보기 위한 시나리오이다.

가설 설정

토지 피복은 자동차 도로는 아스팔트이고 보행로는 밝은 콘크리트로 설정하였다. 따라서 건축물과 바닥재로 인한 알베도는 일정하다고 가정한다. 본 모델은 나무의 크기와 배치에 따른 기온 변화를 보기 위한 것으로 도시 협곡구조의 기온에 영향을 미치는 천공률이나 알베도(Albedo)의 변화에 의한 영향을 일제히 배제한다.

제안 방법

시나리오에 들어갈 교목과 관목은 서울의 가로수(Sung & Min 2003)를 참고한 수종을 중심으로 보편성을 갖고자 하였다. ENVI-met에 내장된 수동식(Manual) 편집도구인 Albero를 통해 프로그램에서 지원하는 기존의 수목 3D 모형을 국내 도심 가로수 높이(평균수고 10m, Sung 2003)와 수관폭(10m)과 같게 수정하였다(Table 1). 시뮬레이팅 환경은 서울시 가로수 관련법규에 의거해 가로수를 보.
본 연구에서는 대표적인 서울시 가로수 식재 방법 중 단열과 2열 식재의 시간에 따른 온도 감소효과를 분석하기 위해 ENVI-met을 이용하여 온도저감 효과량을 산정하였다. 그 후, 열섬현상 저감에 대한 기여도를 분석하였으며, 부가적으로 습도, 풍속, 풍향 등을 산출하였다. 이러한 산출 값들을 바탕으로 도시 협곡구조 내에서의 식재 패턴에 의한 열섬 현상 저감 효과를 계량적으로 산정하였다.
단, 건축물에 의한 그림자는 존재하여 시간에 따른 그림자 변화는 있다. 모델의 건축물과 도로의 아웃라인을 구성하기 위해 인공위성 사진(네이버 위성사진)을 사용해 CAD에서 평면도를 작성하였다.
본 연구는 도시 협곡구조에서 수목의 크기와 수목 식재배치 변화에 따른 시나리오를 설정하고 각 시나리오에 의한 시간별 기온변화를 분석하였다. 시뮬레이션을 통한 건축구조의 변화와 수목의 위치에 따른 기온 저감을 살펴본 기존 연구가 있어왔으나 수목의 크기와 배치에 따른 시나리오를 설정하여 시간별 변화를 서울시 배경으로 미시적 분석을 하였다는 데에 차별성이 있다.
본 연구에서는 대표적인 서울시 가로수 식재 방법 중 단열과 2열 식재의 시간에 따른 온도 감소효과를 분석하기 위해 ENVI-met을 이용하여 온도저감 효과량을 산정하였다. 그 후, 열섬현상 저감에 대한 기여도를 분석하였으며, 부가적으로 습도, 풍속, 풍향 등을 산출하였다.
EDT)이 있다. 본 연구의 출력자료는 ENVI-met 내에 내장된 Xtract와 LEONARDO(Graphic interface program)를 이용하여 수치자료를 데이터테이블로 도출 및 온도분포도로 시각화하여 자료를 분석한다.
도시 가로수 식재의 패턴은 도로를 따라 일렬 혹은 2열 배치를 한다. 서울시 식재지침을 참고하여 식재 공간의 효율적 확보를 위한 가로수 패턴을 고려한 시나리오는 연구 대상지의 단열식재를 기본으로 시작하여 교목과 관목과 함께 7가지의 변형된 패턴들을 적용하였다(Figure 4). 수목들은 도메인의 중앙에 동서 방향으로 놓여있는 도로를 따라 남북으로 배치되었다.
그 후, 열섬현상 저감에 대한 기여도를 분석하였으며, 부가적으로 습도, 풍속, 풍향 등을 산출하였다. 이러한 산출 값들을 바탕으로 도시 협곡구조 내에서의 식재 패턴에 의한 열섬 현상 저감 효과를 계량적으로 산정하였다.

대상 데이터

시뮬레이션을 구동할 모델의 도메인은 강남역일대의 강남대로와 테헤란로가 교차하는 블록으로 300 * 300 * 300 m의 크기를 가진다. 격자셀 하나당 크기는 5 * 5 m이고, 건축물들은 18층 높이(63m)로 고정을 하며 8차선인 테헤란로의 너비는 42m이고, 보행자 통로가 있는 이면도로는 10~15m로 설정을 했다. 토지 피복은 자동차 도로는 아스팔트이고 보행로는 밝은 콘크리트로 설정하였다.
첫 번째 VS와 마찬가지로 단열 식재이지만 교목과 관목을 번갈아가며 식재한 패턴이다. 교목간 10m이고 교목과 관목의 중심간 거리를 5m로 하여 배치하였다. 이는 교목의 그림자 효과로 인한 쿨링효과 이외에도 그림자의 효과를 크게 창출하지 못하는 수고가 낮은 관목을 통해서도 온도 저감의 효과를 볼 수 있는지를 알아보기 위한 시나리오이다.
시뮬레이션을 구동할 모델의 도메인은 강남역일대의 강남대로와 테헤란로가 교차하는 블록으로 300 * 300 * 300 m의 크기를 가진다. 격자셀 하나당 크기는 5 * 5 m이고, 건축물들은 18층 높이(63m)로 고정을 하며 8차선인 테헤란로의 너비는 42m이고, 보행자 통로가 있는 이면도로는 10~15m로 설정을 했다.
시뮬레이션의 출력자료는 구동을 통해 산정된 온도, 습도, 풍향, 풍속, PET (Physiological Equivalent Temperature; 열쾌적성지표: Honjo 2009)등의 정보를 담고 있는 Main data files(.EDI/.EDT)이 있다. 본 연구의 출력자료는 ENVI-met 내에 내장된 Xtract와 LEONARDO(Graphic interface program)를 이용하여 수치자료를 데이터테이블로 도출 및 온도분포도로 시각화하여 자료를 분석한다.
연구 대상지인 강남역은 도시협곡구조를 나타내고(Figure 1), CBD로써 상업지역이며 토지의 60%가 인공지반으로 구성이 되어 있다. 대부분이 50m 이상의 고층 상업용 건축물로 형성된 10차선의 광로(테헤란로)와 8차선의 대로(강남대로)가 교차하지만 건축물 블록내 소로(10~15m)가 있는 고층건축물 밀집지역이다.
올해를 제외한 가장 높은 폭염을 기록했던 2016년 8월 5일의 바람, 상대습도 등의 미기후 데이터¹⁾를 사용하였고 대상지의 공간 특성으로 도로포장, 건축물 표면종류, 종횡비, 지리적 위치를 고려하였다. ENVI-met 시뮬레이션을 구동하여 그 저감 효과를 분석하였다.
이에 본 연구에서는 서울시내에서 여름철 평균 낮기온이 가장 높은 대표적 CBD중 하나인 강남역 일대의 도시 협곡 구조를 모델로 택하였다. 서울시의 도시계획이 허용하는 범위 내에서 가로수의 배치에 대한 시나리오를 구성하여 이에 따른 시간 변화적 온도 저감 효과를 계량적으로 구명해보고자 한다.
격자셀 하나당 크기는 5 * 5 m이고, 건축물들은 18층 높이(63m)로 고정을 하며 8차선인 테헤란로의 너비는 42m이고, 보행자 통로가 있는 이면도로는 10~15m로 설정을 했다. 토지 피복은 자동차 도로는 아스팔트이고 보행로는 밝은 콘크리트로 설정하였다. 따라서 건축물과 바닥재로 인한 알베도는 일정하다고 가정한다.

데이터처리

를 사용하였고 대상지의 공간 특성으로 도로포장, 건축물 표면종류, 종횡비, 지리적 위치를 고려하였다. ENVI-met 시뮬레이션을 구동하여 그 저감 효과를 분석하였다.

이론/모형

2016). 그러나 이 소프트웨어 중 ENVI-met을 무료버전으로 구하기 용이하였기에 활용하였다.
ENVI-met에 내장된 수동식(Manual) 편집도구인 Albero를 통해 프로그램에서 지원하는 기존의 수목 3D 모형을 국내 도심 가로수 높이(평균수고 10m, Sung 2003)와 수관폭(10m)과 같게 수정하였다(Table 1). 시뮬레이팅 환경은 서울시 가로수 관련법규에 의거해 가로수를 보.차도 경계선으로부터 1m 이상, 식재 간격은 수종에 따라 10m로 조정했다(Article 6 and 7, Seoul municipal ordinance of street planting and management 2015).

성능/효과

이러한 결과는 더 많은 식재가 열적 감소와 16시 이후 20시에 더 큰 차이로 변화함을 나타냈다. 2열 식재 중에서도 식재와 토지 표면 사이의 공간이 좁은 관목이 주간의 열을 저장하여 밤에는 상대적으로 더 많은 저장열을 갖고 있으므로 토지표면의 온도가 쉽게 식지 않는다는것을 발견하였다.
각각의 시나리오들을 비교해 보면 시나리오별 기온 변화의 크기가 야간보다는 주간이 더 높게 나타났다. 주간과 야간의 최저 기온차(6.
그 결과 본 연구에서는 식재의 패턴에 따른 단열식재의 시나리오들이 시간별 온도 변화가 저장열의 해질녘에 이를수록 그 변화 값의 감소율이 커지다가 야간에 가서는 완만하게 감소하는 추세를 지닌다. 그러나 단열식재의 경우 15~16시에 온도가 높은 상태를 이루지만 16시 이후 서서히 낮아지며 타 시나리오보다 상대적으로 높은 열을 갖는 경향이었다.
58°C)로 같게 나타났다. 그 다음으로 TT, VM, TM, TS 순으로 관목으로만 구성이 된 시나리오 TS 가 가장 낮은 기온으로 나타났다. 야간에도 시나리오 VSD 와 SDT 가 최고기온(25.
시나리오별 비교에서 낮과 밤의 온도 변화 차이는 작은 반면, 교목 2열 식재(TT) 시나리오와 관목 2열 식재(TS) 시나리오가 큰 차이를 보였다. 대부분의 시나리오에서 주야간의 온도 추세에서 변화율이 점진적으로 하락한 것과는 대조적으로 TS의 밤의 온도 변화량이 다른 시나리오의 변화량에 비해 증가한 것으로 나타났다. 이는 수고가 높은 교목에 비해 낮은 관목이 낮동안의 열을 저장한 결과로 보인다.
두 시나리오의 온도 차이가 아주 극소해서 통계적으로 보면 Pearson 검정(모수 검정)을 실시한 결과 유의성이 0.00 으로 TS와 TT간의 온도 차이는 유의한 것으로 나타났다(Table 3).
따라서 본 연구를 통해 치밀한 2열 식재(VS외 6가지 시나리오)가 성근 단열 식재(VS)보다 온도의 변화차가 커졌다. 이러한 결과는 더 많은 식재가 열적 감소와 16시 이후 20시에 더 큰 차이로 변화함을 나타냈다.
본 연구의 결과를 활용할 경우, 도시 협곡구조에서 식재 패턴에 따른 도시내 열섬 저감 효과를 정량적으로 산정함으로써 경제적으로 효율적인 패턴을 도시 열환경 계획 및 설계에 반영할 수 있는 준거가 될 수 있다.
시나리오별 비교에서 낮과 밤의 온도 변화 차이는 작은 반면, 교목 2열 식재(TT) 시나리오와 관목 2열 식재(TS) 시나리오가 큰 차이를 보였다. 대부분의 시나리오에서 주야간의 온도 추세에서 변화율이 점진적으로 하락한 것과는 대조적으로 TS의 밤의 온도 변화량이 다른 시나리오의 변화량에 비해 증가한 것으로 나타났다.

후속연구

향후에 이를 토대로 식재의 패턴에 따른 편익비용을 산정하여 식재패턴으로 인한 열섬 저감의 경제학적 영향을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	도시의 열섬현상의 영향은?	한편 도시의 열섬현상(Urban Heat Island Effect; UHIE: Rizwan et al. 2008)은 지구온난화에 영향을 미치는데(Alcoforado & Andrade 2008) 증가된 폭염 일수로 인한 도시내의 냉방 시설 사용의 증대는 인공열을 발생시키고 알베도 증가에 따른 도시내의 장파복사열을 높힘으로써 도시 열환경에 직접적인 영향을 주고 있다(Lee et al. 2008).
	지구온난화는 어떤 영향을 주는가?	지구온난화는 해수면 상승이나 전 세계의 변덕스러운 기후와 같은 심각하면서 부차적인 문제를 야기한다. 2015년 여름에 심각한 폭염이 있은 이래로, 도시열섬에 대한 큰 관심이 모아졌다.
	가로수 식재가 인공열에 미치는 영향은?	보행자에게는 가로수 주변 시설이 수관 아래에서의 바람길을 막아 열의 수직적 순환을 방해하여 (Gromke et al. 2008) 열을 공간에 갇히게 할 수 있다. 반면 도시 가로수는 건축물과 도로 근접 식재의 특성상 낮은 천공률로 인해 인공열을 막아주는 역할을 한다(Shashua-Bar et al. 2010).

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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