초록 ▼

IV. 연구 내용 및 결과
난류 수치모델 개발에 앞서 기상에 적용된 국내외 연구동향에 대하여 조사하였다. 기존 연구에서 단순화된 도시 구조 속에서의 바람의 흐름이나 구조적, 열적 특징에 따른 흐름의 변화와 오염물질 확산에 대해서 분석한 결과들을 찾을 수 있었다. 하지만, 직접적으로 도시를 대상으로 한 연구는 드물고 도시 난류를 목표로 만들어진 모델은 많지 않음을 알 수 있었다. 그래서 직접적인 개발을 통해 도시 기상분야에 적용된 수치 모델을 현재 국내의 수준의 모델로 개발하고자 한다.
난류 수치 모델을 현재 기법에 대

IV. 연구 내용 및 결과
난류 수치모델 개발에 앞서 기상에 적용된 국내외 연구동향에 대하여 조사하였다. 기존 연구에서 단순화된 도시 구조 속에서의 바람의 흐름이나 구조적, 열적 특징에 따른 흐름의 변화와 오염물질 확산에 대해서 분석한 결과들을 찾을 수 있었다. 하지만, 직접적으로 도시를 대상으로 한 연구는 드물고 도시 난류를 목표로 만들어진 모델은 많지 않음을 알 수 있었다. 그래서 직접적인 개발을 통해 도시 기상분야에 적용된 수치 모델을 현재 국내의 수준의 모델로 개발하고자 한다.
난류 수치 모델을 현재 기법에 대한 비교 분석을 통하여 도시 기상 분야에 적합한 수치 기법을 정하였다. 난류를 모의하기 위한 수치 모델은 크게 세 종류(RANS, LES, DNS)가 있으며 가능한 계산 범위에서 도시의 난류 정보를 잘 표출하는 LES 모델을 최종 목표 모델로 정하였다. LES 모델과 DNS 모델이 큰 틀 안에서 유사함을 보여 좀 더 접근하기 쉬운 DNS 모델이 선행되는 것이 큰 도움이 될 것이라 판단하였다. 이에 따라 본 연도에는 LES 모델의 기반 모델이 되는 DNS 모델 개발을 하였다.
본 연도의 DNS 모델은 2차원 비정상 비압축성 나비어-스토크스 방정식에서 열적 특성을 제외한 것을 지배방정식으로 하여 사상 방법(Projection method)을 사용하여 개발 하였다. 이류항에는 이차의 Adams-Bashforth 방안(scheme)을 확산항에는 이차의 Crank-Nicolson 방안을 이용하였다. 이외에 엇갈림 격자계를 사용하였으며 수치 유체 역학 모델에서 사용되는 주요 경계 조건을 설정하였다.
개발된 DNS 모델의 품위 평가를 위하여 선행 연구와의 결과를 비교하였다. 단순화된 도시의 구조(Cavity flow)에서의 난류의 특성을 비교 분석한 결과 DNS 모델의 결과를 신뢰 할 수 있었다. 또한 개발된 DNS 모델은 기존 DNS 모델과 비교 및 RANS 모델인 CFD_NIMR 모델과 비교를 통하여 난류에 대한 수치 모의가 가능함을 보였다.
국립기상연구소(NIMR)는 독일 베를린 공대(TUB)와의 공동 연구를 통하여 서울도심 및 환경계획에서 활용될 수 있는 도시 미기후를 분석하고 평가하는 모델인 CAS(Climate Analysis Seoul)를 개발하였다. 이 모델은 토지이용의 형태 및 건축에 의한 지면의 밀폐도 및 밀집도를 분석하여 국지 기후의 형성 과정을 분석하여, 이용자가 쉽게 도시기후정보를 분석 및 평가할 수 있도록 한다.

① CAS의 구성
서울 도시기후분석(CAS)은 크게 두 부분으로 나뉜다.
(a) CAS(Climate Analysis of Seoul)의 분석에 필요한 입력자료(input files)를 구축하고 전처리(preprocessing)하는 과정,
(b) 전처리된 입력자료를 분석과정에서 이용되는 형식으로 변형하여, 이를 분석(workflow)하고 지도화(mapping)하여 최종적인 결과물(output files)을 생성하는 과정(CAP, Climate Analysis Studies for urban and regional Planning)이다.
입력자료(input data)로는 도시의 공간구조정보 구축과, 중규모 기상모델링 등 여러 분석 과정에 필요한 토지피복정보, 서울시의 건폐율 및 건물층수 등 다양한 도시구조정보를 포함한 도시생태현황도, 지형기복에 따른 바람의 흐름 분석을 위한 수치표고모델 등이 사용된다.
CAS는 다양한 도시기후 요소의 계획적 활용을 위해 지도화하는 것을 목적으로 하기 때문에 서울시를 포함한 연구지역의 기후요소 분석 결과를 최종적으로 지도화가 가능한 이미지로 출력한다.

② CAS 분석
CAS 프로그램은 서울시의 (a)바람 순환 특성 및 (b)열역학적 특성을 분석할 수 있도록 개발되었다. 바람순환 특성은 찬공기 정체지역, 바람의 흐름에 대한 마찰과 국지가열의 영향, 중규모 바람장의 영향으로 분석된다. 열역학적 특성은 차고 신선한 공기 생성, 중규모 기온 분포, 국지규모 기온 분포 및 이들을 종합한 종합 기온 분포로 분석된다.
고해상도 도시농립 통합센서망 구축을 통해 다중규모 모델 등 도시기상 수치모델을 위한 기반 자료를 확보할 필요가 있다. 이를 위해 도시기상 수치모델의 기상 분석 및 모의 정확도 향상을 위하여, 기존 관측망을 보완하여 도시 빌딩사이 거리와 식생 지역의 비교 관측 시스템을 구축하였다. 또한 도시 공원 내부의 토양수분, 전기 전도도 및 지중 온도 관측 시스템을 구축하였다.
대형 인명피해를 야기한 2003년 파리의 폭염강도를 국내 6개 도시에 적용하여 유사도시 시나리오를 개발하였다. 유사도시 폭염분석을 통한 기후변화 건강영향 평가를 통해 극한 기상의 보건영향 모델 방법론 구축 및 미래에 발생 가능한 폭염 및 보건영향평가체계 구축을 위한 토대를 마련하였다.

(출처 : 요약문 11P)

Abstract ▼

Unusual climate and weather events are occurring globally. Especially, if the phenomena occur in Seoul metropolitan area, it cause great physical damage and economic losses by paralysis of urban function. Therefore, it is needed to provide the customized service based on weather information for the

Unusual climate and weather events are occurring globally. Especially, if the phenomena occur in Seoul metropolitan area, it cause great physical damage and economic losses by paralysis of urban function. Therefore, it is needed to provide the customized service based on weather information for the safety, the property and the health of the people. As demand for weather information of local governments and industries also increases, high-resolution (~1 km) NWP model is needed for providing urban-scale weather. In relation to this, we intend to build micro-scale observation network and to develop technology for high-resolution urban climate model and meteorological model.
This project aims at development and commercialization of the customized technology of applied meteorology for urbanization, climate change/adaptation and decision support system for disaster mitigation. Additionally, other goal is new growth engine and the creation of economic value through packaging of advanced applied meteorological technology.
In order to accomplish the object like this, in 2012, we developed the Direct Numerical Model (DNS) for developing high resolution turbulence model, and implemented comparative research for simulation of turbulence by using coupled NWP-Turbulence model. We also built observation network on building area and vegetated area to analyze and improve results of high-resolution climate analysis. And, investigation and evaluation of health vulnerability for cities were accomplished through developing of heat wave scenario
By performing the 「Integrated Weather Services for Urban and Rural Area-Development of Core Technology for Urban and Rural Meteorological Model」, we intend to develop Large Eddy Simulation (LES) model based on DNS model developed in 2012. Also, urban micro meteorology affected by city park, building and road will be investigated by using data of observation network built on Gangnam-Gu and Seolleung. Observation data can be used for verification and improvement of urban climate simulator, but also as input of high-resolution NWP model and land surface model. Health impact assessment according to climate change by analyzing heat wave of similar city laid the foundations for establishing methodology and assessment system of health impact model for extreme weather
In conclusion, we expect to be laid the foundation for securement of meteorological technology for urban and rural and proving the customized weather information

(출처 : Summary 16p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구보고서 ... 3
• 목차 ... 4
• 표목차 ... 6
• 그림목차 ... 7
• 요약문 ... 10
• Summary ... 16
• 제1장 서론 ... 18
• 제1절 연구 개발의 필요성 ... 18
• 제2절 국내외 연구동향 ... 20
• 제2장 고해상도 난류모델의 기반모델(DNS) 개발 ... 22
• 제1절 DNS 모델의 개발 필요성 ... 22
• 1. 난류모델 비교 ... 22
• 2. DNS 모델 개요 ... 23
• 제2절 DNS 모델의 특징 및 수치 분석 방법 ... 24
• 1. 기본방정식 ... 24
• 2. 수치 분석 방법 ... 25
• (1) Adams Bashforth 방안 ... 25
• (2) Crank-Nicolson ... 26
• (3) Forward Euler ... 26
• (4) 기타설정 ... 29
• 제3절 모의 결과 ... 31
• 1. 검증 ... 31
• 2. 난류 모의 결과 ... 32
• 제3장 기후변화에 따른 도시환경 분석기술 개발 ... 35
• 제1절 도시 미세기후 분석 입력자료 신뢰도 향상 기술 조사 ... 35
• 1. 문헌분석 및 자료 수집 ... 35
• (1) 독일 Stuttgart 시 등 해외 도시 기후특성 분석 사례 연구 ... 35
• (2) 서울시의 토지 이용과 도시 기후 특성 분석 ... 39
• (3) 서울 도시기후분석 CAS(Climate Analysis of Seoul) 프로젝트 ... 42
• 2. 서울 도시기후 관측망 설계 및 구축 ... 50
• (1) 기후분석시스템을 위한 관측망 설계 ... 50
• (2) 서울시 강남구 도로 및 식생 관측망 구축 ... 50
• 제2절 기후변화에 따른 도시환경의 폭염 취약성 분석 ... 53
• 1. 기후자료 및 사망자 자료 표준화 ... 53
• (1) 표준화된 기후 빛 사망자 분석자료 작성 ... 53
• (2) 해외 폭염사례 기후자료 분석 및 표준화 ... 55
• 2. 유사도시 폭염시나리오 개발 ... 56
• (1) 6개 도시에 대한 유사도시 폭염시나리오 개발 ... 56
• (2) 유사도시 폭염시나리오에 의한 초과사망자수 비교 ... 58
• 제4장 요약 및 결론 ... 63
• 참고 문헌 ... 64
• 부록 2012년도 학술용역과제 ... 68
• 1. 학술용역1(도시농림모델 고도화(Ⅰ)) ... 68
• 2. 학술용역2(유사도시폭염을 통한 기후변화 건강영향 분석) ... 105
• 3. 학술용역3(도시수문정보 데이터베이스 구축) ... 139
• 4. 학술용역4(차세대도시농림기상정보서비스조사연구) ... 266
• 끝페이지 ... 339