거주지 개발이 현열플럭스 및 난류 특성에 미치는 영향

Abstract

친환경 도시 개발은 고도의 도시화를 이룬 우리나라의 지속가능성 확보 차원에서도 반드시 이루어야하며, 평가되어야 할 과제이다. 도시 개발은 경제, 인구 밀도, 에너지 및 자원 소비 등 사회 문화적 변화와 함께, 환경 및 기후변화, 생태계 축소와 생물종다양성과 같은 자연 생태계의 문제를 동시에 안고 있는, 복잡한 생태-사회시스템 (complex socio-ecological system) 문제이다. 이러한 복잡계 역학의 이해는 품질이 보증되는 장기간 관측 자료를 바탕으로 접근할 수 있다. 이런 관점에서 지면과 대기 사이의 에너지, 물, 탄소 교환을 정량화하는 지표 플럭스 관측의 역할은 점점 중요해지고 있다. 본 연구는 국내 최초로 에디공분산 기술을 이용하여 거주지 개발에 따른 지표 플럭스 및 난류 특성 변화를 평가하였다. 관측된 복사 및 현열플럭스 자료의 공간 대표성은 거주지 개발 지역을 반영한다는 가정으로부터 다음의 질문에 답하고자 하였다. 거주지 개발에 따라 (1) 공기역학적 특성과 지표 난류 특성은 어떻게 달라지는가? (2) 현열플럭스는 증가하였는가? 증가하였다면 그 원인은 무엇인가? 이에 답하기 위하여 거주지 개발 과정부터 개발 완료 후 입주민이 거주하는 기간까지 약 3년간 관측된 복사 및 현열플럭스 자료와 항공 LIDAR (light detection and ranging) DEM (digital elevation model) 자료를 분석하였다. 그 결과, (1) 항공 LIDAR DEM 자료로부터 은평 뉴타운의 건물 수평 면적 비율은 약 34% 였으며, 영면 변위는 12m, 거칠기 길이는 1.8m로 나타났다. 이러한 지면의 거칠기 증가는 관측 자료로부터 끌림 항력 계수의 증가로 나타났으며, 0.49로 감소한 sky view factor에 의해서는 평균 약 1℃, 최대 약 3℃의 도시 열섬 효과의 증가가 발생하였다. (2) 에디공분산 자료의 경우는 플럭스 발자국 분석을 통해서 계산한 공간 대표성은 정도였으며, 에너지 스펙트럼 분석을 통해서 관측의 적절성을 확인하였다. 거주지 개발 초기와 비교할 때, 개발 이후 지면의 열점 이동에 따라서 산곡풍의 방향이 아파트 지역으로 변화하였으며, 주간의 현열플럭스는 약 2배정도 증가하였는데, 이런 변화의 원인은 1) 불투수층 증가에 따른 지표 수분 함량의 감소, 2) 인구 증가에 따른 열 배출 증가, 3) 건물 및 도로에 의한 오전 시간의 열 저장과 오후 시간의 배출로 사료된다. 거주지 개발 이후 순복사에 대한 현열플럭스의 일변화 이력곡선은 반시계방향의 회전 특성을 나타내었는데, 이는 순복사의 최댓값보다 건물 및 도로의 열저장량이 먼저 포화상태에 도달하기 때문으로 생각된다. 본 연구를 통해서 거주지 개발에 따른 현열플럭스 및 난류 특성 변화를 평가하였으며, 잠열플럭스 및 열저장, 열 배출 플럭스의 정량화 연구를 도시 지표 에너지 플럭스에 대한 향후 과제로 제시하였다. 본 연구 결과를 기반으로 국내 아파트 거주지를 대표하는 모수 정보와 관측 검증 자료가 확보되어, 향후 중규모 수치예보 모형, 도시 군락 모형, 오염물 확산 모형, 유체역학 모형 등을 활용한 국내 도시지역 연구에 있어 유용하게 활용될 것으로 기대된다.