도시환경특성 요인에 따른 미세먼지 농도의 공간적 분포 패턴 분석

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As air pollution problem affects human health adversely and related issues are becoming serious threat globally, addressing air pollution is important in urban planning field. In order to develop proper air quality management strategies, it is important to figure out the spatial distribution of pollutants according to the urban environmental characteristics.
In this study, the distribution characteristics of PM2.5 and PM10 in Seoul were identified and urban environmental factors affecting the pollution concentrations were investigated. PM2.5 and PM10 concentrations were collected from 850 S-DoT sensors that are densely installed throughout Seoul, during April 2020 to March 2021. The urban environmental factors including both macro and micro-scaled variables were analyzed as potential variables. Macro scale factors are variables that can affect air quality at the local level, such as traffic volume, network accessibility, and geographical factors. Micro scale factors are locally effective variables, such as transportation, spatial form, land use, and socioeconomic variables.
The results showed that the highly polluted areas of both PM2.5 and PM10 were characterized as great accessibility and center of transportation, and areas with good air quality were characterized as high green density. However, there was a difference in urban environmental factors that differed according to each cluster of PM2.5 and PM10. PM2.5 concentrations were closely associated with the spatial form of buildings and road density, which is related to polluting source, while PM10 concentrations were more associated with land use and congestion factors. The spatial range of influence of the variables also differed according to the characteristics of factors. In addition, It was confirmed that the diurnal change of air quality was bigger in the low polluted areas compared to the high polluted areas.
The results of this study present that not only transportation factors, but also urban environmental factors such as structural, morphological, and land use can affect the generation and dispersion of air pollutants in urban area. Furthermore, the managing strategy of PM2.5 and PM10 may be needed because they have different distribution characteristics. The result of this study provide implications on how PM and urban environmental factors are associated within the urban environment, and in what spatial range these variables affect more effectively. It also suggests that changes in the physical environment through urban planning and design could be a strategy for dealing with the air pollution problem.

국문 초록 (Abstract)

도시 내 대기오염 문제는 인간의 건강에 직접적인 영향을 미치며, 전 세계적으로 더욱 심각한 위협이 되고 있기 때문에 도시계획 측면에서 대기오염 문제를 다루는 것은 중요하다. 따라서 적절한 대응책을 마련하기 위해서는 각 지역의 특성을 고려한 오염원의 공간적 분포를 파악하는 것이 중요하다.
본 연구에서는 서울시 내 초미세먼지(PM2.5) 및 미세먼지(PM10)의 분포 특성을 규명하고, 각 오염원 농도에 영향을 미치는 도시계획요소를 알아보고자 하였다. 미세먼지는 서울시 전체에 조밀하게 설치되어 있는 850개의 스마트서울 도시데이터 센서(S-DoT)에서 수집한 데이터를 기반으로 하며, 2020년 4월~2021년 3월 사이의 데이터를 수집하였다. 이에 영향을 주는 도시환경특성 변수들은 크게 거시적 영향력 변수와 미시적 영향력 변수로 나누어 구축하였다. 거시적 영향력 변수들은 서울시의 지역적 차원에서 서울시의 대기질에 영향을 줄 수 있는 변수들로, 교통량 예측값, 도로망을 통한 접근성, 그리고 지형적 요소인 고도 등이다. 미시적 영향력 변수는 크게 교통 관련 요소, 도시형태 관련 변수, 토지이용 관련 변수 및 사회경제적 변수의 유형으로 구축하였다.
분석 결과 PM2.5와 PM10 모두 동일하게 고농도 지역의 특징은 접근성이 높은 교통중심지이며, 저농도 지역의 특징은 녹지밀도가 높은 지역이라는 것을 확인하였다. 그러나 PM2.5 및 PM10의 각 군집 따라 서로 차이를 보인 도시환경특성 변수들에는 차이가 있었다. PM2.5와 PM10의 각 군집의 농도차에서 서로 다른 특징은 PM2.5의 경우 건물의 밀도 혹은 오염원 발생 요소인 도로와 밀접한 관련이 있는 반면, PM10의 경우 토지이용의 영향과 혼잡도 등이 영향을 미쳤으며, 변수들이 영향력을 미친 범위도 각 변수의 특성에 따라 상이했다. 또한, 고농도 지역보다 저농도 지역에서 하루 사이의 미세먼지 농도 변화가 크다는 것을 확인하였다.
본 연구 결과를 통해 교통 요소 뿐만 아니라 도시형태적 요소, 토지이용 등이 해당 지역의 대기오염원의 발생 및 분산에 영향을 미칠 수 있음을 확인하였다. 또한 PM2.5와 PM10은 그 분포 특성이 서로 상이할 수 있기 때문에 각기 다른 대응 전략이 필요할 수 있다. 본 연구의 결과는 도시환경 내에서 미세먼지와 도시환경특성 요소들이 어떻게 영향을 받는지, 그리고 이러한 요인들이 어떠한 공간적 범위에서 더욱 유효하게 작용하는 지에 대한 시사점을 제공한다. 또한, 도시계획적 요소를 통한 물리적 환경의 변화가 미세먼지 대응의 전략이 될 수 있음을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 제 1 절 연구의 배경 및 목적 1
• 1. 연구의 배경 1
• 2. 연구의 목적 3
• 제 2 절 연구의 범위 및 방법 5
• 1. 연구의 범위 5
• 2. 연구의 방법 6
• 제 2 장 이론적 고찰 및 선행연구 검토 8
• 제 1 절 도시와 대기오염 8
• 1. 기후변화와 대기오염 8
• 2. 도시 내 위협으로서의 미세먼지 대응 10
• 제 2 절 도시와 미세먼지 관련 선행연구 검토 11
• 1. 도시 내 미세먼지 발생에 영향을 미치는 요인 11
• 2. 도시 내 미세먼지 확산 및 분산에 영향을 미치는 요인 13
• 제 3 절 선행연구 시사점 및 연구의 차별성 18
• 제 3 장 분석의 틀 20
• 제 1 절 미세먼지 데이터 구축 20
• 1. 분석 대상 20
• 2. 분석 자료 및 처리 방법 20
• 제 2 절 도시환경특성 변수 구축 22
• 1. 거시적 영향력 변수의 구축 22
• 2. 미시적 영향력 변수의 구축 28
• 제 3 절 분석 방법 35
• 제 4 장 분석결과 38
• 제 1 절 PM2.5 및 PM10의 농도에 따른 군집 분류 38
• 1. PM2.5에 대한 군집분석 결과 39
• 2. PM10에 대한 군집분석 결과 42
• 제 2 절 미세먼지 군집 유형별 지역 특성 45
• 1. 주성분분석 결과를 통한 도시환경특성의 요인 분류 45
• 2. 도시환경특성 요인에 따른 PM2.5 군집의 유형화 50
• 3. 도시환경특성 요인에 따른 PM10 군집의 유형화 56
• 제 3 절 미세먼지 농도 차이를 결정하는 도시환경특성 요소 63
• 1. PM2.5의 군집별 차이를 결정하는 요소 63
• 2. PM10의 군집별 차이를 결정하는 요소 67
• 3. PM2.5와 PM10의 결과 비교 71
• 제 4 절 결과 논의를 통한 도시계획 및 설계적 적용 방안 73
• 1. 결과 분석을 통한 논의 73
• 2. 미세먼지 발생 저감을 위한 완화(mitigation) 대책 75
• 3. 미세먼지 분산을 통한 적응(adaptation) 대책 76
• 제 5 장 결 론 78
• 제 1 절 연구결과 종합 78
• 제 2 절 의의 및 한계 81
• 참고문헌 83
• 부 록 91
• 국문초록 93
• ABSTRACT 95