환경친화적 도시계획을 위한 열환경 평가에 관한 연구 = Study on the thermal environment assessment for the urban environment planning

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 기상관측자료와 위성자료의 분석을 통하여 도시의 열적 환경 특성을 분석하여 도시열섬 완화를 위해서 필요한 각종 평가 자료를 마련하여 제시하는 것에 목적이 있다. 아울러 도심의 도시열섬 유발의 주요원인이 되는 인공폐열의 발생분포도 추정하였다. 그리고 기상조건에 따른(풍속, 운량) 도시열섬 강도의 차이를 분석하였다. 그리고 위성자료로 토지이용도를 분류하였으며, 복사휘도로부터 지표면 온도를 산출하였다. 이 자료를 이용하여 토지이용도의 차이에 따른 도시열섬포텐셜을 산출하여 제시함으로써 도시화로 인한 포장화가 도시 열환경에 미치는 영향을 정량적으로 제시할 수 있었다. 아울러 대구광역시 전 영역에 대해서 계절별로 토지이용도에 따른 지표면 온도의 상승과 하강경향 특성을 평가할 수 있었다.
본 연구에서 수행된 연구결과를 항목별로 요약하면 다음과 같다.
대구에서 배출되는 인공열은 도심에서 크게 나타났는데, 그 크기는 24시간 평균하여 30 W/㎡에 이르는 것으로 평가되었다. 반면에 교외는 5 W/㎡ 내외로 작게 평가되었다. 고층의 상가건물이 밀집되어 있는 동성로 일대에서 배출되는 인공열은 이보다 높아서 약 80 W/㎡에 이르는 것으로 평가되었다. 이러한 열량은 냉방에너지 사용이 급증하는 여름철 오후와 난방에너지가 많이 소모되는 겨울철 아침에는 매우 높은 것으로 알려졌는데 그 크기는 일사량과 거의 같은 것으로 평가되었다.
대구의 도심과 교외간의 연중 도시열섬 강도를 분석해 보면, 계절적으로는 여름보다 겨울에 시간적으로는 주간보다 야간에 크게 나타났다. 뿐만 아니라 분지지역인 대구의 경우에는 도심지에서 산정(산)으로 계곡을 따라서 곡풍이 발달하는 이유로 오히려 도심보다 교외의 기온이 낮아지는 음의 도시열섬강도를 보였다.
반면에 야간에는 도심의 기온이 교외에 비하여 1.5～2℃ 정도 높은 경향을 보였다. 이는 대구의 여름철 도시열섬 완화대책은 야간 열대야 현상 완화에 정책을 우선순위에 두어야 함을 알 수 있게 하는 결과이다. 그리고 흐린 날에 도시열섬 강도가 작다는 사실은 대구의 도시열섬을 유발하는 주원인은 인공폐열보다는 인공포장물질에 있다는 것을 알려준다. 그리고 풍속이 강할수록 열섬강도가 약하다는 사실로부터 도시의 바람을 약화시키는 무분별한 건축행위도 도시열섬 유발의 원인이 됨을 알 수 있다.
자연환경이 인공구조물로 변해감으로써 도시열섬이 얼마나 심화될 수 있는지를 알아보기 위해 장기적인 토지이용도변화를 조사하고, Landsat-5 TM 영상을 이용해 지표면 온도와 기온자료를 이용하여 열섬포텐셜의 개념으로 평가해 보았다.
지난 40년 동안 대구지역의 포장된 도시면적(도로와 건축물)은 5배 이상 증가한 것을 알 수 있었고, 열섬포텐셜은 녹지지역에 비하여 도시와 지역이 10.3℃나 높게 나타남을 알 수 있었다. 이러한 결과로 인공구조물로 포장된 지역에서 도시열섬을 유발할 가능성이 높음을 확인할 수 있었다.
여름철 낮에 양지에 주차하는 것이 도시의 기온상승에 미치는 영향을 조사하였다. 낮에 차량상판에서 대기 중으로 방출되는 현열의 양은 최고 180 W/㎡로 나타났고, 이런 경우 차의 내부온도를 낮추는 데는 105 KJ의 냉방에너지가 추가로 소비됨을 알 수 있었다. 이러한 결과를 볼 때 주차공간을 음지로 만듦으로써 에너지절약을 실천하고 도시기온저하에 기여할 수 있음을 확인할 수 있었다.
위성관측이 복사휘도를 이용하여 알고리즘 별로 지표면 온도를 분석하고 관측된 지표면 온도와 다중회귀분석을 통한 알고리즘을 이용하여 지표면 온도를 산출했다.
대구의 지표면 온도와 기온을 이용하여 분석한 결과 여름철 야간에 인공구조물로 포장된 도심지역의 지표면 온도는 심야에도 25℃ 이상을 나타내는 것으로 확인되었다. 그 결과 도심에서는 심야에도 지표가 대기를 가열하는 효과가 상존하고 이것이 원인이 되어 열대야 현상이 자주 유발되는 것을 확인할 수 있었다.
위의 연구결과를 종합하여 분석해 볼 때, 도시승온화 억제 대책으로 첫째, 도심 인구밀집지역의 경우 인공열 배출량의 교외수송 등의 전력이 필요하고 둘째, 풍속약화로 인한 도시열섬의 유발을 방지하기 위해 도시의 건물 배치에 있어서 바람순환이 확보되는 인공구조물 배치를 계획하여야 한다. 셋째, 도시에서의 인공구조물에 의한 피복현상이 도시열섬현상을 나타냄으로 인공구조물에서 열을 저하시키기 위해 도시녹화를 추진하여야 한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study is aimed at preparing and providing of data needed to relieve heat island, through analysis of a city thermal environment by observation weather data and satellite imagery. Distribution of anthropogenic heat, which is the main cause of heat island in the downtown, is estimated. The dependence of heat island intensity on the weather conditions (wind velocity, cloud cover) was also analyzed. In addition, the land surface temperature was calculated by Landsat-5 TM. Using these data to calculate the heat island potential depending on the land utilization, we could present the effect of pavement accompanied by urbanization on thermal environment of a city. Also, with the aid of MODIS, we could estimate the increasing/decreasing trend of the land surface temperature of Daegu Metropolitan city, which depends on land-cover and on season.
The following is a summarization of the result of this research.
Anthropogenic heat released in Daegu appeared to be large in the downtown, which reached 30 W/㎡ when averaged for 24 hours. On the other hand, that of the outskirts was estimated to be as small as about 5 W/㎡. The (anthropogenic) heat released in Dong-sung Street, which is crowded by many high-story shopping center buildings, was much higher and reached to 80 W/㎡. It turned out that this heat release is very high in the summer afternoons and in the winter mornings, because of the increase of energy consumption for cooling and heating, respectively. Its amount was estimated to be nearly equal to that of solar radiation.
Analyzing the heat island intensity in the downtown and the outskirts of Daegu throughout the year, it appeared to be larger in summer and night, than in winter and day. Moreover, as Daegu is a basin area, valley wind was formed in the downtown and directed toward valley to cause negative intensity, that is, the temperature of the outskirts was lower than that of the downtown.
On the other hand, at night, the downtown temperature was higher than that of the outskirts by 1.5～2℃. This result implies that the plan for relieving Daegu heat island in summertime should be focused on relieving of tropical night. Also, the fact that the intensity is small in cloudy days shows us that the major factor of heat island in Daegu is artificial materials for pavement, rather than anthropogenic heat itself. The intensity was low as the wind velocity increases, and it can be inferred that imprudent constructions might also be the cause of heat island.
In order to explore the extent to which heat island could be worsened by the change of natural environment by artificial structure, we investigated the long-term change of the land utilization, and evaluated this as a concept of HIP (Heat Island Potential), by data on the land surface temperature and air temperature obtained by Landsat-5 TM image. For the last 40 years, the covered area (the road and buildings) has been increased more than 5 times, and HIP was higher in the urban area than in forest area, by 10.3℃. These results confirm us that the area covered by artificial structures has a high possibility to cause heat island.
We also explored the effects of parking in a sunny place in summertime on the temperature increase of a city. Sensible heat released from the upper plate of a car to the air in daytime was shown to reach as high as 180 W/㎡, and in this case, 105 KJ of additional energy was needed to cool down the temperature inside the car. Thus, if parking lot is in a shady spot, it will also contribute to energy saving, as well as the lowering of the temperature of the downtown.
We have used MODIS satellite imagery in each algorithm to analyze the land surface temperature and calculated the temperature by an algorithm from the observed Land surface temperature and multiple regression model.
As a result of this analysis, it turned out that the LST of the Daegu urban area covered by artificial structures is higher than 25℃ even at midnight. This implies that there exists an effect by which the land surface heats the air at midnight, which in turn causes occasional tropical nights.
From the above results, we could present some plans for suppressing the urban warming phenomenon. Firstly, in case of the population-crowded downtown, electric power is needed to transport the released anthropogenic heat. Secondly, artificial structures should be arranged in a way such that the wind circulation is secured, in order to prevent heat island caused by the decrease of the wind velocity. Last but not the least, green area should be needed in the urban area, to lower the heat produced from artificial structures.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 = 1
• 1.1 연구배경 및 목적 = 1
• 1.2 연구방법 = 9
• 1.3 논문의 구성 = 11
• 2. 대구지역 인공열의 시공간적 분포 추정에 관한 연구 = 13
• 2.1 연구자료 = 13
• 2.1.1 건물로부터의 인공열 = 13
• 2.1.2 차량으로부터의 인공열 = 13
• 2.2 연구방법 = 14
• 2.2.1 건물로부터의 인공열 = 14
• 2.2.2 차량으로부터의 인공열 = 21
• 2.3 연평균 인공열 분포 = 23
• 2.4 계절별 인공열 분포 = 27
• 2.5 시간별 인공열 분포 = 30
• 3. 대구지역의 기상조건에 따른 도시열섬강도의 계절별 변화특성 = 36
• 3.1 연구자료 = 36
• 3.2 연구방법 = 36
• 3.3 지점별 기온의 시간변화 특성 = 38
• 3.4 열섬강도의 변화특성 = 39
• 3.4.1 연평균 열섬강도의 시간별 변화 = 39
• 3.4.2 연평균 열섬강도의 계절별 변화 = 40
• 3.5 기상조건에 따른 도시열섬강도의 변화특성 = 43
• 3.5.1 구름일과 맑은날에 따른 도시열섬강도의 시간대별 계절별 변화 = 43
• 3.5.2 풍속의 변화에 따른 도시열섬강도의 시간대별 계절별 변화 = 46
• 4. 대구의 토지이용도 유형에 따른 여름철 도시열섬포텐셜 추정연구 = 49
• 4.1 연구자료 = 49
• 4.2 연구방법 = 51
• 4.2.1 토지이용도 = 51
• 4.2.2 지표면 온도 = 51
• 4.2.3 열섬포텐셜(HIP; Heat Island Potential) = 55
• 4.3 대구지역의 장기적 토지이용도 변화 경향 = 57
• 4.4 지표면 온도 = 61
• 4.5 열섬포텐셜 = 62
• 5. 자동차 양지주차로 인한 기온상승이 미치는 효과에 관한 관측적 연구 = 65
• 5.1 연구자료 = 65
• 5.2 연구방법 = 65
• 5.2.1 관측방법 = 65
• 5.2.2 분석방법 = 68
• 5.3 관측결과 = 69
• 5.3.1 기상 = 69
• 5.3.2 표면온도 = 70
• 5.3.3 차량내부온도 = 73
• 5.4 냉방에너지양 산출 = 74
• 5.5 지면 피복도에 따른 현열수송량 = 76
• 6. MODIS 영상을 이용한 지표면 온도 산출 = 79
• 6.1 MODIS의 개요 = 79
• 6.1.1 MODIS 센서의 특징 = 79
• 6.1.2 MODIS Data 특성 = 80
• 6.1.3 MODIS 밴드 특성 = 81
• 6.2 연구자료 = 83
• 6.3 연구방법 = 87
• 6.3.1 구름제거(cloud mask) = 88
• 6.3.2 지리보정(geometric correction) = 94
• 6.3.3 휘도온도 계산 = 96
• 6.3.4 채널 및 계절별 방출율(emissivity) = 103
• 6.3.5 지표면 온도의 산출 = 106
• 6.3.6 다중회귀분석을 통한 회귀식 산출 = 107
• 6.4 한반도의 토지피복도 = 111
• 6.5 지표면 온도의 공간분포 = 113
• 6.6 위성에서 산출된 지표면 온도의 검증 = 125
• 6.7 다중회귀분석을 통한 알고리즘 산출 = 129
• 7. 대구의 토지피복상태가 도시 열환경에 미치는 효과 분석 = 134
• 7.1 연구대상영역 = 134
• 7.2 연구자료 및 방법 = 135
• 7.3 토지피복 현황 = 136
• 7.4 토지피복도에 따른 도시 열환경 분석 = 139
• 7.4.1 지포면 온도 분포도 = 139
• 7.4.2 토지피복도에 따른 현열 수송량 = 144
• 8. 결론 = 149
• 참고문헌 = 155
• Abstract = 160
• 초록 = 164