도시기후 적응을 위한 그린인프라의 열환경 개선과 접근성에 대한 다중규모 평가 = Multi-scale assessment of green infrastructure’s cooling effects and accessibility for urban climate adaptation

국문 초록 (Abstract)

최근의 폭염과 열대야는 더 이상 도시열섬 현상에 의한 일시적 이상기온으로 볼 수 없을 만큼 심화되고 있으며, 도시의 생활환경과 생태계의 지속가능성을 직접적으로 위협하고 있다. 폭염의 조기화와 장기화, 그리고 극한고온 현상의 빈번한 발생은 도시가 스스로의 열을 감당하지 못하는 수준으로까지 발전하고 있으며, 발생시기와 강도를 예측하기조차 어려운 상황에 이르렀다. 도시의 미기후 변화는 인간의 토지이용과 인공구조물의 확장, 그리고 생태계 순환의 붕괴가 복합적으로 얽혀 나타난 결과로 도시에서 생활하는 인류가 직면한 가장 근본적이고 복합적인 환경위기이다.
이 연구는 도시의 열환경을 구성하는 데 있어 핵심적인 역할을 하는 그린인프라의 냉각 기능, 도시민의 그린인프라 접근성, 그리고 도시협곡에서의 기술적 해법에 기반한 냉각시설의 효율성을 다중규모에서 분석하고, 이를 바탕으로 도시 열환경의 지속가능한 관리 전략을 제시하고자 하였다. 특히, 이 연구에서는 (1) 그린인프라의 시계열 냉각 메커니즘, (2) 도시 취약계층을 고려한 그린인프라 이용의 형평성과 접근성, (3) 자연기반해법만으로 대응할 수 없는 도시협곡에서의 기술적 해법 적용이라는 세 가지 측면에 중점을 두었다.
서울시 동대문구 홍릉시험림 일대를 대상으로 1년 간의 연속 기온정보를 수집하여 그린인프라 유형별 냉각효과를 비교·분석한 결과, 조밀한 수관층을 가진 교목림은 계절과 주야간에 관계없이 안정적인 냉각효과를 유지하였으나, 잔디와 교통섬 녹지는 일주기 기온 편차가 크고, 폭염과 열대야가 상대적으로 자주 발생하였다. 교목림 내에서 활엽수림은 여름철에 강력한 냉각효과를 나타내는 것과 달리, 봄철에는 냉각효과가 크게 떨어졌다. 잔디는 음영효과가 존재하지 않아 여름철 주간 폭염 발생빈도가 높았지만, 야간에는 다른 그린인프라와 비교했을 때 눈에 띄는 냉각효과가 관찰되었으며, 이는 다른 계절에서도 동일하게 확인되었다. 도시의 폭염이 계절적으로 점차 조기 발생하고 장기화되는 상황에서 수종 및 층위구조, 식물계절적 특성 등 그린인프라의 특성을 복합적으로 고려하여 도시의 열순환 시스템을 증진시키기 위한 그린인프라의 조성 및 관리가 필요할 것으로 판단된다.
극한고온 상황에서 대피처로 역할을 하는 그린인프라가 도시민들에게 얼마나 형평성있게 배치되어 있는지를 비교하기 위해 글로벌 오픈소스 공간자료를 기반으로 2단계 유동권역 모형(2SFCA)을 적용하여 서울시를 포함한 세계 주요 도시 그린인프라의 보행 접근성을 평가하였다. 서울시는 전체 그린인프라의 면적 대비 보행 접근성의 공간적 형평성은 상대적으로 높았으나, 경사 저항과 인구 과밀에 의해 실질적 보행 접근 가능성이 저하된 지역이 존재함을 확인하였다. 이는 그린인프라 공급이 면적 중심의 계획에서 지형·보행부담·인구구조를 복합적으로 반영한 기후복지 관점의 그린인프라 접근성 관리로 나아가야 한다는 것을 보여준다. 이 연구에서 제시한 보행 네트워크와 2SFCA 기반 접근성 평가는 단순히 거주지점으로부터 그린인프라까지의 거리를 측정하는 것을 넘어 도시의 인구, 도로특성을 종합적으로 반영한 도시 그린인프라 평가 기준이 될 것으로 기대한다.
마지막으로 자연기반해법의 적용이 제한되는 도시협곡에서 열환경을 개선하기 위해 기술적 해법인 쿨링로드를 도입하기 위한 정책적 의사결정 지원 체계를 제시하고자 하였다. 이를 위해 취약성-시급성-효과성의 3단계 프레임워크를 구축하여 쿨링로드 최적 설치지역을 선별하였으며, ENVI-met과 Airflow Analyst를 통해 도시협곡의 건물형태, 대기흐름, 주변 식생 조건에 따른 냉각효율의 차이를 정량적으로 평가하였다. 이를 통해 단순히 온도가 높은 취약지역 중심의 냉각시설 도입이 아닌 주변 인구와 도로, 건물, 식생 특성을 객관적인 데이터에 기반하여 설치 필요성을 정량화하고, 정교한 3차원 미기후 모델링을 통해 대기흐름·지형·열환경 특성을 종합적으로 모의하는 효과성 평가가 필수적임을 규명하였다.
이 연구는 패치 규모의 그린인프라 냉각 메커니즘, (2) 경관 규모의 그린인프라 보행 접근성과 형평성, (3) 도시협곡 규모의 기술적 냉각시설 도입이라는 다중 공간규모에서의 다차원적인 분석을 통해 도시 열환경 관리 체계를 구축하였다. 실측 기반 분석과 모델링 접근 모두 공간·시간 해상도 면에서 제한점이 있으나, 그린인프라의 시계열 관리, 보행일상권 개선, 기술적 해법 적용을 통한 다양한 열완화 전략을 결합한 도시 폭염 대응의 새로운 틀을 제시했다는 점에서 학술적·정책적 의의가 크다. 향후 이 연구의 방법론을 고도화한다면 도시는 열을 피하는 공간에서 뜨거워지는 도시의 열을 조절·분산·순환시키는 기후위기 적응형 도시로 발전할 수 있을 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The recent intensification of heatwaves and tropical nights can no longer be dismissed as transient anomalies caused by the urban heat island (UHI) effect. Rather, they pose a direct threat to the sustainability of urban residents‘ livelihood and ecosystems. The early onset, prolonged duration, and unpredictable frequency of extreme heat events indicate that cities have reached a critical tipping point, beyond which they can no longer regulate their own thermal environments. This deterioration of the urban microclimate is an environmental crisis due to the complex interactions among human land use, the expansion of artificial structures, and the disturbance of ecological cycles.
This dissertation aims to develop sustainable management strategies for the urban thermal environment by analyzing the cooling functions of green infrastructure (GI), pedestrian accessibility, and the effectiveness of technological solutions in urban canyons across multiple spatial scales. The framework emphasizes three key dimensions: (1) the spatiotemporal cooling mechanisms of GI, (2) equitable access to GI for climate-vulnerable populations, and (3) the applicability of artificial cooling systems where nature-based solutions are insufficient.
First, at the patch scale, a comparative analysis of cooling effects by GI type was conducted using one year of continuous air temperature data from the Hongneung Experimental Forest in Seoul. The results showed that forests with a dense canopy maintained stable cooling effects regardless of season or time of day. In contrast, grasslands and traffic islands exhibited high diurnal temperature variations and a higher frequency of extreme heat events. While broad-leaved forests demonstrated strong cooling effects in summer, their cooling effect decreased significantly in spring. Interestingly, while lawn faced severe daytime heatwaves due to insufficient shade effects, it provided substantial nocturnal cooling compared to other GI types. These findings suggest that GI planning and management must account for species composition, plant phenology, and forest vertical structure to enhance the city’s thermal condition in response to increasingly early and prolonged extreme heat events.
Second, at the landscape scale, the spatial equity of GI accessibility was evaluated using the Two-Step Floating Catchment Area (2SFCA) method based on open-source spatial data, comparing Seoul with other major global cities. While Seoul showed moderate spatial equity in total GI volume, the analysis identified specific areas where pedestrian accessibility was hindered by steep topography and high population density. These findings emphasize the need for a paradigm shift to a climate welfare approach that integrates topography, pedestrian resistance, and demographic structure.
Finally, at the urban canyon scale, this study proposed a decision support system framework for implementing technical solutions like ‘cooling roads’ to mitigate heat in areas where nature-based solutions are constrained. A three-stage framework (Vulnerability-Urgency-Effectiveness) was established to select optimal installation sites. ENVI-met and Airflow Analyst simulations demonstrated that cooling effectiveness in urban canyons varies depending on building structure, airflow characteristics, and vegetation. Furthermore, this study highlights that technical solutions for urban heat mitigation should not rely solely on temperature hotspots. Furthermore, the study highlights the need to develop strategies that incorporate urgency based on residents’ demographics (elderly, infants) alongside sophisticated 3D modeling.
In conclusion, this research establishes a comprehensive urban thermal management system through multi-dimensional analysis spanning the patch (cooling mechanisms), landscape (accessibility and equity), and urban canyon (technological solutions) scales. Although there are limitations regarding the spatiotemporal resolution of field measurements and modeling, this study offers significant academic and policy implications by presenting a novel framework that integrates time-series management by GI type, pedestrian-friendly urban design, and hybrid technological solutions. Future refinement of these methodologies will contribute to transforming cities from spaces that merely evade heat into climate-adaptive systems capable of regulating, dispersing, and circulating thermal energy.

목차 (Table of Contents)

• I. 서론 1
• 1. 연구배경 1
• 2. 이론적 배경 3
• 1) 도시화 3
• 2) 도시열섬 5
• 3) 그린인프라 12
• 3. 연구목표 22
• II. 그린인프라 유형별 연중 냉각 기능의 시·공간적 분석 25
• 1. 서론 25
• 2. 재료 및 방법 27
• 1) 연구대상지 27
• 2) 자료수집 및 분석 29
• 3. 결과 31
• 1) 그린인프라의 계절별 및 일주기에 따른 냉각 효과 31
• 2) 교목림 유형별 연중 냉각 효과 분석 36
• 4. 고찰 37
• 1) 그린인프라 유형별 계절에 따른 냉각효과와 공간적 차이 37
• 2) 주야간 그린인프라 냉각효과 38
• 3) 식물계절에 따른 조성관리와 이용자 중심의 기온 모니터링 39
• III. 보행 네트워크 기반의 세계 주요도시 그린인프라 접근성 분석 41
• 1. 서론 41
• 2. 재료 및 방법 44
• 1) 연구대상지 44
• 2) 입력자료 구축 46
• 3) UF·UGS 보행 접근성 50
• 3. 결과 53
• 4. 고찰 62
• 1) 주요 도시별 보행접근성 62
• 2) 방법론적 고려사항 65
• 3) 미래연구방향 66
• IV. 도시협곡 열환경 개선을 위한 쿨링로드 효과성 분석 69
• 1. 서론 69
• 2. 재료 및 방법 71
• 1) 쿨링로드 71
• 2) 활용 데이터 개요 73
• 3) 취약성 분석 74
• 4) 시급성 평가 78
• 5) 효과성 평가 83
• 3. 결과 91
• 1) 취약성 및 시급성 평가 91
• 2) 효과성 평가 99
• 4. 고찰 106
• 1) 도시 냉각시설 적지 분석 프레임워크 106
• 2) 도시 물순환과 지속가능성 108
• 3) 연구의 발전 방향 109
• V. 결론 110
• 1. 패치 규모: 그린인프라의 식생 특성과 열환경 안정성 110
• 2. 경관 규모: 형평성과 기후복지를 위한 접근성 강화 110
• 3. 도시협곡 규모: 자연기반해법과 기술적 해법의 최적화 111
• 4. 종합 결론 112
• VI. 참고문헌 113
• Abstract 147