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ISSN : 1225-4517(Print)
ISSN : 2287-3503(Online)
Journal of Environmental Science International Vol.25 No.11 pp.1475-1484
DOI : https://doi.org/10.5322/JESI.2016.25.11.1475

Analyzing the Cooling Effect of Urban Green Areas by Using the Multiple Observation Network in the Seonjeongneung Region of Seoul, Korea

Geun-Hoi Kim, Young-Gon Lee*, Dae-Geun Lee, Baek-Jo Kim
Applied Meteorology Research Division, National Institute of Meteorological Sciences, Korea Meteorological Administration, Seogwipo 63568, Korea
Corresponding author : Young-Gon Lee, Applied Meteorology Research Division, National Institute of Meteorological Sciences, Korea Meteorological Administration, Seogwipo 63568, Korea +82-64-780-6756yglee71@korea.kr
July 6, 2016 October 21, 2016 October 24, 2016

Abstract

To analyze the cooling effect of urban green areas, we conducted micrometeorological measurements in these areas and their surroundings in Seoul, Korea. From the average hourly temperature measurements through each month for the last two years (March 2013 to February 2015), we found that the maximum temperature difference between urban and green areas was about 2.9°C at 16:00 LST in summer, and the minimum was about 1.7°C at 22:00 LST in winter. In summer, the temperature difference was the largest during the day, rather than at night, due mainly to shading by the tree canopy. The specific humidity difference between the two areas was about 1.5 g kg-1 in summer, and this decreased in the winter. The specific humidity difference between urban and green areas in summer is relatively large during the day, due to the higher evapotranspiration level of biologically active plants.


최근 2년간 서울 선정릉 지역의 복합센서 관측망을 활용한 녹지 냉각효과 분석

김 근회, 이 영곤*, 이 대근, 김 백조
기상청 국립기상과학원 응용기상연구과

    1.서 론

    최근 산업이 발달하고 인구가 증가함에 따라 전세 계적으로 도시화가 빠르게 진행되고 있다. 도시의 개 발은 지표의 태양복사 흡수 및 반사에 영향을 미치며, 이는 지표에너지 균형을 변화시킨다(Kim et al., 2011). 이러한 변화의 원인은 도심 지역의 열전도도와 열용량의 증가, 지표 알베도의 감소, 도시 협곡의 구조 변화, 인공열 배출 등에 있다(Oke, 1989; Taha, 1997). 특히 도시 내 건물과 도로포장 등 불투수층의 증가에 따른 기온 상승은 도시와 그 주변 지역과의 기온 차이 를 야기시키며 이러한 현상은 도시 열섬 효과(urban heat island effect)로 잘 알려져 있다(Kim and Baik, 2002). 또한, 도시화의 영향으로 국지적 고온현상의 강도와 빈도가 극심할 수 있으며, 열사병(heat stroke) 과 열실신(heat syncope)으로 인한 내원환자수의 급증 뿐만 아니라 초과 사망률이 확연하게 증가하는 것으 로 보고된 바 있다(Stott et al., 2004; Tan et al., 2007; Kim et al., 2006; Kim et al., 2014). 반면, 도심지 내 녹지는 일사 차단 및 증발산의 영향으로 주변 도심지 보다 상대적으로 기온이 낮게 나타난다(Kwon, 2002; Jansson et al., 2007). 이러한 현상을 도시 열섬 효과 와 반대되는 도시 냉섬(cool island)이라고 하며, 도시 열섬 현상을 완화시키는 역할을 함으로써, 최근 도시 열환경 개선의 한 방법으로 관심을 받고 있다.

    도시와 녹지는 구성 물질, 수분함량, 공기역학 및 열적 성질이 달라 서로 다른 생물리 과정을 통해 도시 기후에 영향을 미친다(Oke, 1989; Givoni, 1991). 대 표적으로 식물에서 공기 중으로 수분을 방출하는 증 발산의 한 형태로서 현열보다 증발 잠열에 배분되는 태양 복사 에너지가 증가하여 주변의 공기를 시원하 게 한다. 또한 수목에 의한 그림자는 태양 복사를 차단 하여 지표와 공기의 가열을 막아 수목 주변을 시원하 게 만든다. 도시에 녹지를 조성하면 주변보다 상대적 으로 기온이 낮아 부분적으로 하강기류가 발생하고, 이를 통해 냉각된 공기가 주변으로 유입되어 도시의 열 환경을 개선하게 된다. 즉, 녹지가 주변 기온을 냉 각시켜 고온 현상을 완화시키고 쾌적한 공기를 제공 하게 되는 것이다(Landsberg, 1981).

    Giannas(2001)는 도심 지역의 녹지가 도심 미기상 에 미치는 영향을 알베도, 열용량 및 열전도도의 변화 와 증산 작용, 장파복사 과정, 지면 부근의 풍속 변화 및 오염 물질 확산 과정을 통해서 설명하였다. 이러한 녹지의 효과는 야외 관측을 통해 많은 연구가 수행되 었다(Sugawara et al., 2006; Bowler et al., 2010; Park and Kim, 2010). Ca et al.(1998)은 녹지의 표면 온도 가 도심이나 콘크리트 표면 온도보다 15℃ 이상 낮게 나타나며, 기온은 2℃ 이상의 차이를 보인다고 보고 하였다. Jansson et al.(2007)은 공원과 도심 지역의 기온을 관측하여 여름철 주간에는 0.5 ~ 0.8℃, 야간 에는 최대 2℃ 의 기온 차이를 보인다고 밝혔다. 한편, Zoulia et al.(2009)는 도심지 내 녹지의 기온 저감 범 위가 녹지의 크기 뿐만 아니라 풍속과 풍향에도 영향 을 받을 수 있다고 지적하였다. 기존의 도심지 내 녹 지에 관한 연구는 대부분이 여름철의 단기간을 대상 으로 하거나 일중 주간 또는 야간만 분석되었으며, 장 기간의 관측을 통한 연중 변화를 살펴본 연구는 부족 하다.

    따라서 본 연구에서는 서울의 대표적 도심 강남 코 엑스 인근에 위치하면서 서울 행정경계 내 도심에서 가장 녹지 규모가 큰 선정릉(선릉과 정릉) 내부와 주 변 지역에 도시기상 복합센서 관측망을 구축하고 관 측자료(기온, 상대습도, 풍향, 풍속, 기압, 강수량)를 수집·분석하였다. 2013년부터 장기간 관측된 자료를 이용하여 도심과 녹지 지역의 기상환경 특성을 분석 하여 도심지 내 녹지의 영향 및 기온저감효과를 정량 적으로 제시하고자 한다.

    2.연구 방법

    도심지 내 녹지가 인접한 지역의 기상특성을 살펴 보기 위해 서울시 강남구 삼성동에 위치한 선정릉 일 대를 연구지역으로 선정하고 고해상도 기상관측망을 구축하였다. 서울 선릉과 정릉은 사적 199호로 선릉 은 조선 9대 성종과 부인 정현왕후의 무덤이고, 정릉 은 조선 11대 중종의 무덤이다. 총 면적은 약 198,813 m2이며, 두 왕릉을 중심으로 수목과 초지로 구성되어 있다. 선정릉 내 수목의 종류는 참나무, 오리나무, 느 릅나무 등의 활엽수로 높이는 약 15~20 m에 이른다. 선정릉 주변 지역은 고층 건물로 구성된 주거 및 상업 지역으로 둘러 쌓여있으며, 특히 선정릉 남쪽 테헤란 로 일대는 20층 이상의 고층 빌딩으로 구성된 도시 협 곡을 이루고 있다(Fig. 1).

    선정릉 주변 도시기상 관측망은 2013년 1월부터 설치·운영되고 있으며, 관측영역은 약 동서 방향으로 2.5 km, 남북 방향으로 2 km이다. 관측 지점은 총 4개 지점으로 선정릉 내부에 1개 지점, 선정릉 주변 도심 지역에 3개 지점이다. 관측장비는 운반과 현장 설치 가 용이하도록 하나의 장비에 기온, 상대습도, 풍향, 풍속, 강우량, 기압을 측정할 수 있는 복합센서 (WXT520, Vaisala)를 사용하였다(Table 1). 인구와 교통이 복잡한 도심에서 새로운 관측탑 또는 등주의 설치가 어려워 기존의 CCTV 등주(선정릉 내부)와 가로등(또는 보안등)을 이용하였으며, 관측장비의 보 호를 위해 지상으로부터 약 3 m 높이에 설치하였다 (Fig. 2).

    사용된 복합센서의 정확도는 기온은 ±0.3℃, 상대 습도는 ±3%, 풍속과 풍향은 각각 ±0.3 m s-1과 ±2°이 며, 기압은 ±1 hPa이다(Table 1). 모든 관측자료는 1분 단위로 자료집록기(CR800, Campbell scientific) 에 저장되며, 관측된 자료는 CDMA (code division multiple access) 기반의 이동통신망 MIG (mobile internet gateway)를 활용하여 매 시간마다 무선으로 자료수집 서버에 수신 저장한다.

    본 연구에서는 관측망이 구축된 이후 안정화가 이 루어진 2013년 3월부터 2015년 2월까지 최근 2년간 관측된 기온, 상대습도, 기압 자료를 활용하였다. 분 석에 앞서 세계기상기구(WMO)의 표준에 근거하여 원시자료에 대한 결측자료 검사(missing value test), 물리한계 검사(physical limit test), 단계 검사(step test) 등 자료의 품질관리를 수행하였다(WMO, 2004). 물리한계검사의 문턱값은 Table 1에 제시된 관측장비 의 측정범위를 사용하였다. 단계검사에 사용된 문턱 값은 기온은 3℃, 습도는 15%, 기압은 0.5 hPa을 사용 하여 관측자료의 단위시간 변동량이 이를 넘으면 오 류로 처리하였다. 이러한 과정을 통해 품질관리된 자 료는 관측지점마다 차이가 있지만 전반적으로 90% 이상의 수득율을 나타내었다(Table 2). 또한, 도심지 내 녹지효과에 대한 특성을 분석하기 위하여 선정릉 주변 기상청 현업 자동기상관측망인 강남 지점(#400) 에서 일강우량이 0.1 mm 이하로 관측된 비강우일만 고려하였다. 이러한 과정을 통해 분석기간 동안 비가 내리지 않은 날은 봄이 143일, 여름 115일, 가을 144 일, 겨울 153일로 각각 나타났다. 계절은 봄(3~5월), 여름(6~8월), 가을(9~11월), 겨울(12~2월)로 각각 구 분하였다.

    기온 자료를 통해 녹지효과를 정량적으로 산출하 기 위하여 Table 3과 같이 각 관측지점들의 지리적 정 보를 바탕으로 도심과 녹지를 대표할 수 있는 지점들 을 선정하였다. 일반적으로 도심의 관측 자료는 주변 환경(~10 m2)에 따라 공간 편차가 대단히 크다. 이런 문제를 해결하기 위한 방법으로 가능한 주변을 잘 대 표할 수 있는 여러 지점의 관측 자료를 평균하여 사용 하는 것이 바람직하다(Sugawara et al., 2004; Park and Kim, 2010). 따라서 U2, U3 및 U7 지점들을 평균 하여 사용하였다. 녹지(G)는 선정릉의 중심에 위치하 여 녹지의 특성을 가장 잘 나타내는 G2 지점을 사용 하였다.

    녹지 효과는 도심과 녹지의 기온 차이로 월별 시간 평균한 값으로부터 산출하였다. 비습은 Tetans의 공 식으로 계산된 포화수증기압을 이용하여 계산하였다.(1)

    e s = 6.11 exp ( 17.27 T + 273.16 35.86 )
    (1)

    여기서 es는 포화수증기압(hPa)이고, T 는 섭씨온 도(℃)이다. 그리고 실제 수증기압은 상대습도와 계산 된 포화수증기압을 이용하여 구하고, 비습은 (3)의 식 으로 구할 수 있다.(2)

    e = e s R H ÷ 100
    (2)

    q 0.622 e P
    (3)

    여기서 e 는 수증기압(hPa), RH 는 상대습도(%), q는 비습(g kg-1), P 는 대기압(hPa)이다.

    도심과 녹지의 시간당 기온변화율은 각 계절별 시간 평균된 기온을 이용하여 각 시간의 기온에서 전 시간 기온을 빼서 계산하였다.

    3.결 과

    3.1.도심과 녹지 간 기온과 비습

    Fig. 3은 도심과 녹지의 기온 일변화와 두 지역의 기온차를 계절별로 나타낸 것이다. 도심의 기온은 주 간, 야간, 계절에 상관없이 녹지의 기온보다 높게 나타 났으며 4계절 모두 최고 기온이 나타나는 시간은 녹지 가 14시, 도심이 15시로 도심이 녹지보다 1시간 늦게 나타났다. 이는 녹지 지역의 식생이 태양 복사 에너지 를 차폐하고 공기의 직접적인 가열을 방해하여 최고 기온이 나타나는 시간에 영향을 주는 것으로 보인다.

    도심과 녹지의 기온차는 봄(0.1 ~ 2.1 ℃), 여름(1.3 ~ 2.9 ℃), 가을(0.8 ~ 2.8 ℃), 겨울(0.2 ~ 1.7 ℃)의 순으 로 나타났다. T 검정을 통하여 통계적으로 유의한 차 이를 보인 시간대를 음영으로 표시하였다. 기온차가 최대인 시간은 봄이 23시, 여름은 16시, 가을 18시, 겨 울 22시로서 평균 기온이 높은 여름과 가을엔 늦은 오 후 시간대에, 평균 기온이 낮은 봄과 겨울엔 밤 시간대 에 나타났다. 기온차가 최소인 시간은 모든 계절에서 10시에 나타났다. 여름과 가을의 경우 야간 뿐 아니라 주간(16~18시)에 상당한 기온 저감 효과를 나타냈다. 특히 가을보다 여름에 기온차가 크게 나타나는데, 이 는 수목의 성장이 활발한 시기로 증발산 작용과 그림 자 효과가 크게 작용한 것으로 보인다. 봄과 겨울의 경 우, 일출 후 일최고기온에 이르기 전까지 도심과 녹지 의 기온차는 아주 작기 때문에 주간보다 야간에 녹지 의 효과가 큼을 확인할 수 있다.

    분석기간 전체에 대해 도심과 녹지 간 기온차의 월 별화 및 일변화 분포를 분석하였다(Fig. 4). 도심과 녹 지의 기온 차이가 최대인 시기는 8월 중 16시에 약 3. 2℃ 이고, 최소인 시기는 3월 중 13시에 약 -0.1℃ 였다. 이러한 결과는 Hamada et al.(2010)의 일본 나고야에 서 관측한 연구 결과와 월변화에서 비슷하나 최대 기 온차는 약 1.3℃ 의 차이를 보인다. 이는 일본 나고야 의 녹지 주변은 저층의 주거지역인 반면 선릉 주변에 는 고층 건물로 구성된 주거 및 상업지역으로 이루어 져 도심의 기온이 더 높게 나타난 것으로 보인다. 8월 에는 약 1.5 ~ 3.2℃ 의 높은 기온 차이를 보였으며, 5~10월 동안 12~18시 사이 기온 차가 다른 기간보다 큰 것을 확인할 수 있다. 이는 Park and Kim(2010)이 지적한 바와 같이 이 기간은 태양 복사 에너지의 차단 과 증발산을 통해 지표 기온을 하강시키는 역할을 하 는 식생의 성장시기에 해당한다. G2 지점은 약 15 ~ 20 m의 활엽수로 이루어져 있는데 이 활엽수의 잎은 5월에 성장하기 시작하여 8월에 가장 무성해졌다가 10월이 되면 떨어지게 된다. 즉, 5~10월에는 녹지의 기온 저감효과가 크게 나타남을 알 수 있다. 반면 12~3월의 9~12시에는 기온차가 크지 않은데 이는 식 생의 활동이 약한 시기로 기온저감 효과가 약함을 확 인할 수 있다.

    증발이나 응결의 변화를 확인하기 위하여 도심과 녹지 간 비습의 일변화를 계절별로 분석하였다(Fig. 5). 직접 측정된 비습의 계절변화는 도심과 녹지 모두 여름에 높은 값을 보이고 겨울에는 낮은 값을 보였다. 여름에는 약 14.0 ~ 16.0 g kg-1이었고, 겨울에는 약 2.2 ~ 2.7 g kg-1의 값을 보였다. 도심과 녹지 간 비습 차는 여름에 가장 큰 값을 보였다. 비습의 일변화는 모 든 계절에서 도심과 녹지 지역에서 주간에 비습이 감 소하고 야간에 증가하는 경향을 보였다. 여름과 가을 에는 야간보다 주간에 큰 비습 차이를 보였다. 여름철 도심의 비습은 일출 후 감소하기 시작하여 15시에 가 장 낮은 값을 보였다. 이는 기온의 일변화와 연관하여 기온이 가장 높을 때 공기 중의 수증기는 가장 적음을 알 수 있다. 그러나 녹지에서는 주간과 야간에 비습의 변동이 거의 없음을 알 수 있다. 이는 주간에 식생의 증발산 작용으로 추정된다. 일출 후 기온의 상승에 의 해 대기 중 수증기가 감소하지만 식생의 증발산에 의 해 수증기가 대기 중으로 공급된다. 가을의 경우에도 주간에 증발산 효과를 보이기는 하지만 여름보다 식 생의 증산활동이 약하므로 그 크기는 여름만큼 크지 는 않을 것으로 추정된다.

    3.2.도심과 녹지 간 열적 특성 비교

    도심과 녹지의 토지피복에 따른 기온 변화 특성을 분석하기 위하여 가열률과 냉각률을 계산하였다(Fig. 6). 토지 피복에 따른 기온 변화 특성은 주간에는 가열 에 의해 영향을 받고 야간에는 냉각에 의해 영향을 받 는다(Upmains et al., 1998). 각 지점의 시간별 평균 기 온에서 전 시간의 차이를 구하여 양의 값이면 가열률 이고 음의 값이면 냉각률을 나타낸다. 일출 및 일몰 시 간에 영향을 받는 기온변화율의 특성을 고려하기 위 하여 계절별 일출과 일몰 시간을 Table 4에 나타내었 다. 일출 시간은 여름이 5시 27분으로 가장 빠르고, 겨 울이 7시 35분으로 가장 늦어 약 2시간의 차이를 보였 다. 일몰 시간은 겨울이 17시 40분으로 가장 빠르고, 여름이 19시 42분으로 가장 늦어 역시 약 2시간의 차 이를 보였다. 각 계절별 일출 시간이 되면 도심과 녹지 지역의 가열이 시작된다. 가열 구간의 특징을 살펴보 면 녹지의 가열률이 먼저 높게 나타났다가 이어 도심 의 가열률이 높아지는 것을 확인할 수 있다. Fig. 3을 보면 야간(0~6시)에 녹지의 기온은 도심 지역보다 약 2℃ 가량 낮은데 이는 녹지가 도심 지역보다 이른 아 침에 가열률이 높게 나타나는 원인으로 보여진다. 모 든 계절에서 냉각은 녹지가 15시, 도심 지역이 16시로 녹지가 1시간 빨리 냉각이 시작되었다. 16시 이후의 냉각 구간은 봄과 겨울엔 녹지의 냉각률이 도심의 냉 각률보다 크게 나타나고 있다. 그러나, 여름의 경우 도 심의 냉각률이 녹지의 냉각률보다 크게 나타나고 있 다. 이는 여름 주간에 녹지의 가열량이 도심보다 현저 히 작음에 원인을 찾을 수 있다. 총 가열량은 최저기온 과 최고기온의 차와 같은 값을 보이는데 여름의 총 가 열량은 녹지는 6.3℃, 도심은 7.3℃ 으로 녹지가 1℃ 가 량 낮게 나타났다. 이는 3.1에 설명한 여름철 식생의 역할과 도심 지역의 인공열 및 열용량으로 설명할 수 있다.

    4.결 론

    녹지의 기온 저감 효과를 분석하기 위해 서울 선정 릉과 그 주변 지역에 복합센서 관측망을 구축하였다. 2년 동안의 관측자료를 분석하여 도심과 녹지 간 기온 과 비습의 계절별·일별 특성을 조사하였다.

    도심과 녹지의 기온차는 야간에 뚜렷하게 나타났 으며 주간에는 겨울보다 여름에 크게 나타났다. 여름 이 16시에 2.9℃, 겨울이 22시에 1.7℃ 로 각각 최대값 을 보였다. 주간의 기온차가 겨울보다 여름에 큰 것은 상대적으로 태양복사의 영향이 큰 여름에 녹지의 식 생이 기온 상승을 억제하는 역할을 하고 있었기 때문 이다. 야간의 경우 식생의 영향보다 도심 지역의 인공 열 방출과 큰 열용량의 영향으로 보여진다. 식생의 증 발산 효과는 도심과 녹지의 비습 분석에서 확인할 수 있었다. 도심과 녹지간 비습 차이는 여름에 크고 겨울 에는 큰 차이를 보이지 않았다. 여름의 경우 주간에 약 1.5 g kg-1의 비습 차이를 보였는데 식생과 수목의 증 발산 효과를 확인할 수 있었다. 도심과 녹지의 기온과 비습 분석을 통하여 여름철 주간에는 식생의 태양 복 사 에너지 차단과 식생의 증발산 작용이 녹지의 기온 을 낮추는 원인임을 확인하였다. 도심과 녹지 지역의 기온변화율을 살펴본 결과 최대 가열률은 도심 지역 이 녹지보다 1~2시간 늦게 나타났다. 여름 주간에 녹 지의 기온변화율이 도심보다 낮은 것은 수목의 그림 자 효과와 증발산 효과가 합해진 것으로 보인다.

    본 관측자료의 분석을 통하여 녹지가 주변 도심 지 역에 비해 차고 신선한 공기를 생성시키는 도심지 내 저온핵의 역할을 하고 있음을 밝혔다. 이는 도심지 내 녹지는 기온 저감 효과 이외에 경관 개선과 인간의 쉼 터 제공 등의 다양한 혜택이 있음을 나타낸다. 향후 지 속적인 자료의 구축과 관측망의 유지가 중요할 것으 로 사료된다. 장기적인 관측 자료와 본 연구에서 제시 한 녹지의 기온 저감 효과의 정량적 분석이 환경 친화 적 도시계획에 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기 대된다.

    감사의 글

    이 연구는 국립기상과학원 “차세대 도시 농림 융합 스마트 기상서비스 개발(NIMR-3133-302-210-13)” 의 지원으로 수행되었습니다.

    Figure

    JESI-25-1475_F1.gif

    Observation sites around Seonjeongneung region of the southeastern part of Seoul, Korea. G : green area, B : boundary area, U : urban area.

    JESI-25-1475_F2.gif

    Typical setting of measuring device of each observation site. a : setting at the G2, b : setting at the U2.

    JESI-25-1475_F3.gif

    Diurnal variations of air temperatures in the urban (filled circles) and the green area (open circles) for each seasons: (a) spring, (b) summer, (c) autumn and (d) winter. The bars indicate the temperature differences between urban and green area(gray bar is p-value < 0.05).

    JESI-25-1475_F4.gif

    Diurnal and seasonal variation in air temperature difference between urban and green areas.

    JESI-25-1475_F5.gif

    Same as Fig. 2 but for the specific humidity.

    JESI-25-1475_F6.gif

    Mean air temperature changes in each hour at the green and the urban areas for each seasons: (a) spring, (b) summer, (c) autumn, and (d) winter.

    Table

    Specifications of the instrument WXT520 used in the measurements

    Data availability of the observation sites

    List of the observation site information

    Seasonal sunrise and sunset time

    Reference

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