겨울철 도시지역과 교외지역의 기온변화 특성
Characteristics of Temperature Variation in Urban and Suburban Areas During Winter
권성일*․김진수**
,†․박종화**․오광영***․송철민****
Kwon, Sung Ill*․Kim, Jin Soo**
,†․Park, Jong-Hwa**․Oh, Kwang Young***․Song, Chul Min****
Abstract
We investigated characteristics of temperature variation in urban and suburban areas(e.g., paddy field, upland, park, residential area) and urban heat island(UHI) during winter(December 2005 to February 2006). The daily maximum air temperature was not significantly different between suburban and urban areas, whereas the daily minimum air temperatures were significantly lower in the suburban areas than that in the residential area. The wind speed in the urban park(0.3 m/s) was much lower than that in the paddy fields(2.3 m/s), likely due to an urban canopy layer formed by high buildings. The UHI intensity was represented by differences in daily mini- mum temperatures between urban residential and paddy field areas. The UHI intensity(4.1℃) in winter was larger than that(2.6℃) in summer. This may be because a stable boundary layer develops in the winter, and thereby this inhibits diffusion of heat from surface.
Keywords : Micrometeology, Land use, Urban canopy layer, Urban heat island intensity
I. 서 론
*
도시화는 농지와 녹지대의 면적을 크게 감소시켜 도시의 기온특성을 변화시키고 있다. 도시에서는 도 심이 교외보다 온도가 높게 되는 도시열섬(urban heat island, UHI) 현상이 발생하는데, 이는 한낮에 콘크리 트나 아스팔트 구조물 등에 축적된 열의 야간 방출, 녹지면적의 감소에 따른 증발산량과 잠열(潛熱)의 감 소, 도시의 에너지 사용량의 증가에 따른 배열량의 증
*
한국건설기술연구원**
충북대학교 농업생명환경대학***
충북대학교 농업과학기술연구소****
충북대학교 대학원†
Corresponding author. Tel.: +82-43-261-2573 Fax: +82-43-271-5922
E-mail address: [email protected]
가 등이 원인으로 발생하고 있다. 이런 열섬효과는 수 변공간이나 바람 등의 요소뿐만 아니라, 도시인구로 측정된 도시의 크기와도 밀접한 관련이 있다(Oke, 1973). 도시에는 활발한 난류활동으로 연직 혼합을 일 으키는 도시경계층(urban boundary layer)이 약 1,000 m의 높이까지 형성되어 있는데, 도시경계층의 두께는 시간과 공간에 따라 변하고 있다. 또한, 도시경계층의 하단에는 건물 지붕 높이에 해당하는 도시캐노피층 (urban canopy layer)이란 대기층이 형성되어 도시 기온에 영향을 미치고 있다(Horiguchi et al., 2004).
도시열섬 현상에 대한 연구는 여러 연구자에 의하 여 수행되었다(Oke, 1973; Montavez et al., 2000;
Kim and Baik, 2002). Hinkel et al.(2003)은 미국 Alaska에서의 겨울철 열섬효과에 대하여 검토하였으 며, Sakakibara and Mieda(2002)는 흐린 날과 맑은
(a) Paddy field and upland areas (b) Park and residential areas Fig. 1 Study sites
날을 구분하여 열섬강도의 계절별 특성과 풍속과의 관 계를 검토하였다. Oue et al.(1994)는 여름철 주위 온 도를 저감시켜주는 기능은 관개와 식생을 가지고 있 는 논이 효과적으로 발휘한다고 보고하였으며, Yoko- hari et al.(2001)는 Tokyo 거주지에서 여름철 논에 의한 기온저감효과에 대하여 검토하였다. 최근 우리 나라에서 여름철 토지피복별 기온특성에 대하여 검토 하였으나(Kim et al., 2007), 겨울철 기온특성에 대 해서는 잘 알려져 있지 않다. 이에 본 연구에서는 겨 울철(12월～2월)동안 도시 근교에 위치한 논과 밭, 도심에 위치한 녹지대와 주택지를 대상으로 토지이용 별 기온특성을 파악하고, 겨울철 도시열섬현상에 대 하여 검토하고자 한다.
II. 조사지역 및 연구방법
1. 조사지역
본 연구의 조사대상지역으로서 도시근교에 위치한 논, 밭, 녹지대 및 주택지를 선정하였다(Fig. 1). 논 은 충청북도 청원군 옥산면(127°25'E, 36°41'N, 해발 40 m)의 필지논(100 m×100 m)으로 여름철에는 벼 (
Oryza sativa
)가 식재되어 있으나 겨울철에는 벼를 수확한 후 휴경지 상태로 유지되었다. 주위는 대부분 논으로 되어 있으며, 저평지에 위치하고 있다. 밭은 충청북도 청원군 오창면 괴정리 농업기술원 내(127°27'E,36°43'N, 해발 48 m)에 위치하고 있으며, 겨울철에는 호밀(
Secale cereale L
)과 헤어리베치(Vicia villosa
) 가 식재되었다. 녹지대는 인구 62만의 청주시 시내 에 위치한 충북대학교 교내(127°27'E, 36°37'N, 해 발 52 m, 면적 97.4 ha)로서, 바닥은 잔디로 피복되 어 있고, 주위에는 수목이 있으며, 아스팔트 주차장 으로부터 20 m 정도 떨어져 있다. 주택지(127°27'E, 36°38'N, 해발 79 m)는 청주시 도심에 위치하고 4 차선 도로에서 220 m 떨어진 곳에 위치하고 있다.2. 연구 방법
연구기간은 2005년 12월 1일부터 2006년 2월 28 일까지의 겨울철을 대상으로 하였다. 온도와 상대습 도는 네 관측지점에서 측정하였고, 측정기기에 대한 예산부족으로 풍향과 풍속은 논과 녹지대에서, 지중 온도, 순복사량, 지중열전달량 등은 논과 밭에서만 측정하였다(Table 1과 Fig. 2). 각 관측항목의 관측 간격은 10분으로 설정하였으며, 관측자료는 10일 간 격으로 취득하였다.
지중온도는 논과 밭의 지표면, 지중 2 cm와 10 cm 지점에 설치된 온도센서를 이용하여 측정하였다.
순복사량(net radiation;
R
n)은 지표면이 받는 순수 한 복사에너지로 지상으로 입사하는 복사에너지와 하 늘로 방출되는 복사에너지의 차이를 말하며, 지상 2 m 지점에서 측정하였다. 지표면에 도달한 순복사량Table 1 Summary of meteorological measurement
Component Instrument Height/Depth Site
Wind speed WatchDog Model 550 weather station
(Spectrum Technologies, Inc., USA) 2 m above the surface Paddy field and park Air temperature
Relative humidity
SP-2000
(Veriteq Instrument, Inc., Canada) 0.5 m and 1.5 m above the surface All sites Soil temperature Temperature probe surface, 2 cm and 10 cm under the surface
Paddy field and upland
Ground(soil) heat flux MF-180M
(EKO Instruments Trading Co., Japan) 5 cm under the surface
Net radiation Q-7.1 Net Radiometer
(Campbell Scientific, Inc., USA) 2 m above the surface
R
n(W/m2)은 식 (1)과 같이 증발산량에 의한 기화열량 인 잠열플럭스LE
(W/m2), 전도와 대류에 의한 대기로 의 열수송량인 현열플럭스H
(W/m2), 지중으로의 열전 도량인 지중열플럭스G
(W/m2)로 배분된다(Arya, 2005).R
n= H + LE + G (1)지중열플럭스(ground heat flux;
G
)는 지중 5 cm 지점에서의 온도변화와 토양의 열전도를 측정하여, 식 (2)와 같이 단위시간에 단위단면적을 통과하는 열량 으로 표현된다(Arya, 2005).
(2)
여기서 λ는 물질의 열전도율(W/m․℃), T는 온도 (℃),
z
는 깊이(m)를 나타낸다.식 (2)에서 지중열플럭스는 온도기울기가 클수록, 또한 물질의 열전도율이 클수록 크게 된다. 지중열플 럭스의 값이 양(+)인 경우는 열전도의 흐름이 아래로 향하고, 음(-)인 경우는 위로 향하는 것을 의미한다.
열섬강도(∆Tu - su,℃)는 식 (3)과 같이 도시지역과 교외지역의 기온차이(℃)로 나타냈다(Figuerola and Mazzeo, 1998).
∆Tu-su= Tu- Tsu (3)
여기서, Tu는 도시지역의 기온(℃), Tsu은 교외지 역의 기온(℃)을 나타낸다.
(a) Paddy field (b) Upland
(c) Park (d) Residential Fig. 2 Meteorological measuring instrument in study
sites
겨울철동안 관측지점에 따른 평균기온, 평균최고기 온 및 평균최저기온의 차이를 파악하기위하여, SAS 를 이용하여 분산분석(ANOVA)을 실시하였고, 그룹 간 평균차이가 유의적으로(p < 0.05) 인정되는 경우에 는 Duncan 다중검정법(Duncan's multiple range test) 을 실시하였다(SAS Institute, 1999).
Fig. 3 Diurnal variation of air temperature in the study sites during December 27-29, 2005
III. 결과 및 고찰
1. 평균 기온
겨울철동안 네 관측지점에서 관측된 평균일기온, 평 균일최고기온 및 평균일최저기온은 Table 2와 같다.
네 지점의 겨울철 평균일기온은 주택지(-0.5℃) > 녹 지대(-1.3℃) > 논(-2.3℃) > 밭(-2.5℃) 순을 보이면 서 주택지와 교외에 위치한 논과 밭 사이에서 유의 적인 차이를 보였다. 평균일최고기온은 네 관측지점에 서 유의적인 차이를 보이지 않았으나, 평균일최저기 온은 주택지가 -3.4℃로, 논(-7.3℃)이나 밭(-7.5℃) 보다 유의하게(p < 0.05), 높게 나타났다. 논과 밭에 서의 평균기온과 평균최저기온이 비슷하게 나타났는 데, 이는 논은 벼 수확 후 나대지 상태이고, 밭에는 작물이 생장초기 상태라서 두 지점간의 피복상태가 비슷하기 때문으로 생각된다.
또한, 연구기간 동안 청주기상대의 평년 평균기온 (-1.2℃)은 개방 및 피복상태가 유사한 녹지대의 값
Table 2 Mean temperatures in study sites during
winter (Unit : ℃)
Land use type Mean daily Mean daily maximum
Mean daily minimum
Paddy -2.3b
※3.1a -7.3bc
Upland -2.5b 2.9a -7.5c
Park -1.3ab 3.8a -6.1b
Residential -0.5a 2.7a -3.4a
※
Within each column, means followed by the same letter are not significantly different(p
≤0.05).
(-1.3℃)과 비슷하게 나타났다.
2. 기온 일변화
겨울철 논, 밭, 녹지대 및 주택지에서의 기온 일변 화는 Fig. 3과 같다. 네 지점에서의 일 기온은 13～
15시에 최고기온을 나타냈고, 7시에 최저기온을 나 타냈다. 최고기온은 일반적으로 녹지대(-0.5～3.5℃) 에서 높게 나타났고, 주택지에서 낮게 나타났으나, 네 지점간의 최고기온 차이는 그리 크지 않았다. 주택지 에서 최고기온이 낮게 나타난 것은 주위건물의 영향 으로 일조량을 적게 받기 때문으로 생각된다. 최저기 온은 주택지(-9.0～-5.0℃)가 가장 높고, 녹지대가 두 번째로 높게 나타났으며, 논과 밭(-16.0～-10.5℃) 에서 가장 낮게 나타났다. 또한, 최고기온을 보인 후 기온은 주택지보다 논과 밭에서 크게 저하하였다. 이 와 같이 주택지의 기온 저하가 작게 나타난 것은, 낮 동안 콘크리트 건물이나 아스팔트 도로에 축적된 복 사열이 야간에 방출되고, 건물에 의해 풍속이 저하되 기 때문으로 생각된다. 이와 같은 현상은 혹서기에도 보고되었다(Kim et al., 2007).
3. 논, 밭 및 도시부의 기온일교차 비교 겨울철 동안 논, 밭, 녹지대 및 주택지에서 관측된 기온의 평균일교차는 각각 10.4, 10.4, 9.9, 6.1℃를 보여, 주택지의 일교차가 가장 작게 나타났다(Fig.
4). 이 기간 동안 5 mm/d 이상의 강수일은 3일(1월 13일, 2월 7일, 14일)이었으며, 이런 강수일을 제외
(a) January 1-15, 2006
(b) February 1-16, 2006
Fig. 4 Diurnal temperature range in the study sites
한 맑은 날의 평균일교차는 논과 밭이 10.6℃, 녹지 대가 10.1℃, 주택지가 6.2℃로 나타났다. 또한, 강 수일의 평균일교차는 논이 4.7℃, 밭이 4.5℃, 녹지 대가 4.6℃, 주택지가 3.3℃로 네 지점 모두 5℃
이하를 보여 맑은 날에 비하여 매우 작게 나타났다.
강수일에 기온일교차가 작게 나타나는 현상은 혹서기 에도 보고된 바 있다(Kim et al., 2007).
4. 상대습도 일변화
겨울철 논, 밭, 녹지대 및 주택지에서의 상대습도 의 일변화는 Fig. 5와 같다. 여름철과 같이 기온이 높 아지면 상대습도가 낮아지며 기온의 일교차가 클수 록 상대습도의 일교차도 크게 나타났다. 최저상대습 도는 40% 전후로 네 지점에서 큰 차이를 보이지 않 았다. 한편 혹서기 동안의 최저상대습도는 겨울철보 다 높은 값을 보여, 논에서는 담수의 영향으로 65%
이상을, 밭에서는 50% 전후의 값을 나타냈다(Kim et al., 2007). 또한, 최고상대습도는 최저기온이 낮 게 나타난 논과 밭에서 높게(90～98%) 나타났으며, 최저기온이 높게 나타난 주택지에서 가장 낮게(70～
75%) 나타났다.
5. 논과 밭에서의 지중온도
논과 밭에서의 2006년 1월 6일～10일의 기간동 안 지상 1.5 m의 기온(Ta), 지표면(T0), 지중 2 cm (T2), 10 cm(T10)에서의 온도의 일변화는 Fig. 6과 같다. 지중온도의 일교차는 토양의 온도 완충작용으로 깊이가 깊을수록(즉, 지중 10 cm의 경우가) 작게 나 타났고, 밭은 식재된 호밀의 영향으로 논보다 일교차 가 작게 나타났다. 최고온도는 일반적으로 논과 밭 모 두 지표면 온도가 기온보다 높게 나타났으며, 여름철 나지와 잔디에서도 이와 같은 현상이 나타났다(Cho,
Fig. 5 Diurnal variations of relative humidity in the study sites during December 27-29, 2005
(a) paddy field
(b) Upland
Fig. 6 Diurnal variation of air and soil temperatures during January 6-10, 2006
1995). 하지만, 최저온도는 논에서는 지표면온도가기온과 비슷하거나 낮게 나타났으나, 밭에서는 식재된 호밀의 영향으로 지표면온도가 기온보다 높게 나타나 는 경우가 많았다. 이와 같이 식생은 지중온도의 변화 에 크게 영향을 미치는 것으로 생각된다. 최고 및 최
저온도가 나타나는 시각은 토양의 온도완충 작용으 로 깊이가 깊을수록 늦게 나타났다. 지표면, 지중 2 cm 및 10 cm의 경우, 논에서 최고온도는 각각, 1 2～14, 15～16, 17시에 나타났고, 최저온도는 각각, 6～7, 8, 8～9시에 나타났다. 또한, 밭에서 최고온
(a) paddy field
(b) upland
Fig. 7 Diurnal variation of net radiation and ground heat flux in paddy field and upland areas during January 6-10, 2006
R
n: net radiation, G: ground heat flux
도는 각각, 13, 15～16, 17시에 나타났고, 최저온도 는 각각 7, 8, 8～9시에 나타났다.
6. 논과 밭에서의 순복사량과 지중열플럭스 2006년 1월 6～10일 동안 논과 밭에서의 순복사 량(Rn)과 지중열플럭스(G)의 일변화는 Fig. 7과 같다.
지중열플럭스의 일변화는 순복사량의 일변화와 밀접 한 관련이 있어, 일반적으로 지중열플럭스는 순복사량 과 일정의 시간 간격을 보이면서 증감하는 것으로 나 타났다. 순복사량은 논과 밭에서 -80～280 W/m2 사이에서 변동하였고, 최대값은 11～12시에 나타났다.
논과 밭에서의 순복사량은 8～16시에 양(+)의 값을 보였으며, 일몰 후, 태양복사에너지가 없는 시간대인
17～익일 7시에 음(-)의 값을 보였다. 지중열플럭스 는 순복사량에 비하여 작고, 최대값이 나타나는 시각 은 순복사량의 영향으로 순복사량의 최대값이 나타난 시각보다 2～3시간 정도 늦게 나타났다. 논에서의 지중열플럭스는 10～18시에 양의 값을 보였고, 19～
익일 9시에 음의 값을 보였다.
7. 논과 녹지대에서의 풍속
논과 녹지대에서의 12월의 시간별 풍속변화는 Fig.
8과 같다. 겨울철 동안 측정된 평균 풍속은 논에서 2.3 m/s, 녹지대에서 0.3 m/s로 논이 녹지대보다 7 배 이상의 높은 값을 보였다. 겨울철 논에서의 평균 풍속은 혹서기(1.4 m/s)보다 높게 나타난 반면, 녹지
Fig. 8 Daily variation of wind speed in paddy field and park sites during December 10-31, 2005
대에서의 평균풍속은 혹서기(0.2 m/s)보다 약간 크게 나타났다(Kim et al., 2007). 겨울철 녹지대에서의 풍속은 혹서기와 마찬가지로 느리게 나타났는데, 이 는 도시 주변부에 있는 50 m 전후의 고층 아파트가 도시캐노피층(urban canopy layer)을 형성하여 바람 의 소통을 방해하기 때문으로 생각된다(Horiguchi et al., 2004).
8. 도시열섬현상해석
청주기상대에서 관측한 운량자료(2005년 12월～
2006년 2월)를 사용하여 운량이 7 이하의 맑은 날을 대상으로 식 (3)으로 표현된 도시지역(주택지)과 교외 지역(논)에서의 월별 평균기온과 평균최저기온의 차 이는 Table 3과 같다.
겨울철 평균기온과 평균최저기온의 열섬강도는 각 각 1.9, 4.1℃로서. 여름철(8월)의 열섬강도(각각 1.6, 2.6℃)보다 크게 나타났다. 이러한 현상은 대규모 도 시인 서울(Kim and Baik, 2002), 아르헨티나의 수도 Buenos Aires(Figuerola and Mazzeo, 1998), 중규 모 도시(인구 30만)인 스페인의 Granada(Montavez et al., 2000)에서도 보고되었다. 그리고 열섬강도는 평균최저기온이 평균기온보다 크게 나타났다. 또한, Alaska의 Barrow시(2000년 현재 인구 4600명)에서 는 평균기온의 열섬강도가 겨울철(12-3월)에는 2.2℃
로 나타났으나, 여름철(7월 중순-8월 초순)에는 -1.4℃
로 나타났다(Hinkel et al., 2003). 즉 여름철에는 도
시지역의 온도가 교외지역 온도보다 낮아지는 역열 섬현상(inverse heat island)이 나타났는데, 이는 도 시화의 간접효과보다는 해양의 영향이 크기 때문이다.
이와 같이 열섬현상은 여름철보다 겨울철에 크게 나타나고, 최저기온을 보이는 새벽에 현저하게 나타 나는 것이 정량적으로 확인되었다. 이런 현상은 대기 안정도의 차이에 의한 것으로, 특히 겨울철 새벽에는 지표면의 냉각으로 하부 기온이 상부 기온보다 낮게 되는 안정경계층(stable boundary layer)이 도시경계 층 하단에 형성됨에 따라 대기 혼합을 일으키는 혼 합층의 두께가 얇아지게 되어 지표로부터 방출하는 열이 확산되지 못하고 지표부근에 집중하기 때문으로 알려져 있다(Horiguchi et al., 2004).
Table 3 Mean monthly temperatures in urban and suburban sites and urban heat island intensity(ΔT
u-su)
(Unit : ℃)
Month Days applied
Mean daily Mean daily minimum Suburban
( T
su) Urban
( T
u) Δ T
u-suSuburban ( T
su)
Urban ( T
u) Δ T
u-suDec.
2005 25 -5.8 -3.8 2.0 -11.2 -6.7 4.5 Jan.
2006 24 -2.1 -0.1 2.0 -7.4 -3.0 4.4 Feb.
2006 23 -1.0 0.8 1.8 -6.2 -2.8 3.4
Mean 24 -3.0 -1.1 1.9 -8.3 -4.2 4.1
IV. 결 론
겨울철(12-2월)동안 중규모 도시(62만)인 청주시 의 교외에 위치한 논, 밭과 도심에 위치한 녹지대, 주택지를 대상으로 토지이용별 기온변화특성을 파악 하고, 논과 주택지 사이의 도시열섬강도 특성을 검토 하였다.
각 관측지점에서의 평균 일최고기온은 유의적인 차 이를 보이지 않았으나, 일최저기온은 주택지가 -3.4℃
로, 논(-7.3℃)이나 밭(-7.5℃)보다 유의하게(p < 0.05) 높게 나타났다. 평균풍속은 논에서 2.3 m/s, 녹지대 에서 0.3 m/s로 논이 녹지대보다 7배의 높은 값을 보였는데, 이는 도시의 주위에 있는 높은 건물이 바 람의 소통을 방해하기 때문으로 생각된다. 또한, 두 지점의 겨울철 평균기온과 평균최소기온의 차로 나타 낸 도시열섬강도는 각각 1.9, 4.1℃로 여름철(8월)의 열섬강도(각각 1.6, 2.6℃)보다 크게 나타나, 도시열 섬강도는 겨울철이 여름철보다 크고, 최저기온을 나타 내는 새벽에 크게 되는 것이 정량적으로 확인되었다.
본 연구는 2006년 정부(교육인적자원부)의 재원 으로 한국학술진흥재단의 지원(KRF-2006-351- D00044)에 의하여 수행되었습니다.
References
1. Arya S. P., 2005, Introduction to microme- teorology, Second edition, Sigmapress.
2. Cho N. H., 1995, Effect on the air tempera- ture as affected by surface pavement and plant, Sunchon Natl. Univ. Bul. 14: 61-70.
(in Korean)
3. Figuerola P. I. and N. A. Mazzeo, 1998, Urban-rural temperature differences in Buenos Aires, Int. J. Climatol., 18, 1709-1723.
4. Hinkel K. H., F. E. Nelson, A. E. Klene and J. H. Bell, 2003, The urban heat island in winter at Barrow, Alaska, Int. J. Climatol. 23, 1889-1905.
5. Horiguchi I., T. Kobayashi, O. Tsukamoto and K. Otsuki, 2004, Local meteorology, Morikita Pub.: 196-203. (in Japanese)
6. Kim Y. H. and J. J. Baik, 2002, Maximum urban heat island in Seoul, J. Applied Meteol., 41(6), 651-659.
7. Kim J. S., J. H. Park, G. Y. Jung and K. Y.
Oh, 2007, Characteristics of air emperature variations under different land covers during summer, J. KSAE 49(1), 79-88. (in Korean) 8. Montavez J. P., A. Rodriguez and J. I. Ji-
menez, 2000, A study of the urban heat island of Granada, Int. J. Climatol., 20, 899-911.
9. Oke T. R., 1973, City size and the urban heat island. Atmospheric Environment, 7, 769-779.
10. Oue H., T. Fukushima and T. Maruyama, 1994, A micrometeorological function of paddy fields that control temperature conditions, J.
JSIDRE, 62(10), 955-960. (in Japanese) 11. SAS Institute, 1999, The SAS System for
Windows, Versions & Release 8.1, SAS In- stitute, Cary, NC, USA.
12. Yokohari M., R. D. Brown, Y. Kato and S.
Yamamoto, 2001, The cooling effect of paddy fields on summertime air temperature in residential Tokyo, Japan, Landscape and Urban Planning, 53, 17-27.
