도시의 물리적 환경이 여름철 기온 저감속도와 야간기온에 미치는 영향에 관한 연구

Abstract

지구온난화로 인한 평균대기온도의 상승은 무분별한 개발이 이루어진 도시에서 주변지역보다 높은 기온이 관측되는 현상인 도시열섬현상을 유발하는 주요인으로 작용하고 있다. 이로 인해 도시공간에서의 폭염 발생빈도 및 지속시간은 계속해서 심화되고 있으며, 우리나라의 수위도시인 서울시는 지속적인 여름일수 증가와 여름철 평균기온의 상승을 경험하고 있다. 이에 따라 쾌적한 도시 열환경 조성에 대한 사회적 관심과 요구가 크게 증가하고 있으며, 여름철 도시열섬현상 완화가 서울시의 주요쟁점으로 인식되고 있다. 또한, 특징적으로 높은 밤시간대의 최저기온은 서울시 열환경을 악화시키는 요인으로 꼽히고 있다. 이와 관련해 서울시의 열대야일수는 전반적인 증가 추세를 보이고 있으며, 2018년 서울시의 열대야 지속일수는 역대 최장기간인 26일을 기록하였다. 기존의 관련 연구들은 도시의 물리적 환경특성이 해당 공간의 열환경에 영향을 미치고 있음을 밝히고 있다. 그러나 다수의 연구는 도시 열환경을 설명하는 변수로 여름철 평균 대기온도 또는 평균 지표온도에 주목해 결과를 도출하고 있다. 또한 다수의 실증분석을 토대로 한 연구의 경우, 데이터 구득의 한계로 인해 제한적인 결과만을 내놓고 있으며, 뿐만 아니라 여러 요소가 복합적으로 작용하는 도시 공간의 내재적 특성에도 불구하고, 도시의 물리환경 특성의 상호작용에 대한 고려는 상당히 미진한 실정이다. 이와 같은 배경을 바탕으로 본 연구는 다음의 목표를 갖는다. 본 연구는 서울시의 특징적인 열환경인 열대야현상을 고려하여, 기온 저감속도와 야간시간대의 평균기온에 주목하였으며 도시의 물리적 환경이 이들에 미치는 영향에 대해 파악하고자 한다. 또한 도시 열환경에 영향을 미치는 물리환경 특성의 상호작용 효과를 확인하기 위해, 변수 간 선형, 비선형의 관계와 더불어 비선형의 상호작용 효과까지 고려할 수 있는 Kernel-Based Regularized Least Squares(KRLS) 모델을 분석 방법론으로 활용하였다. 이를 통해 여름철 기온저감속도와 야간기온에 대한 물리환경 특성의 영향효과를 해석함에 있어서, 보다 다각적인 분석을 바탕으로 한 결론을 도출하고자 한다. 끝으로, 분석결과를 바탕으로 여름철 쾌적한 도시 열환경 조성에 영향을 미치는 도시의 물리적 환경특성을 도출하고자하며, 더 나아가 향후 여름철 열대야현상 완화 측면에서 쾌적한 도시 열환경 조성을 위한 도시계획 및 도시 설계분야에서의 정책적 시사점을 도출하는 것을 목적으로 한다. 본 연구는 다음과 같은 과정을 통해 진행하였다. 선행연구 고찰을 통해 도시 열환경에 영향을 미치는 물리적 환경 변수를 파악하였으며, 이를 토대로 실증분석에 활용할 변수를 선정하였다. 이후 지리정보시스템 프로그램인 Geographic Information System(GIS)와 R Studio 등의 프로그램을 활용하여 각 물리환경 특성 변수와 본 연구의 종속변수인 기온 저감속도와 야간기온 변수를 구축하였다. 최종적으로 통계분석 프로그램인 R Studio와 STATA를 활용하여 KRLS 분석을 진행하였으며, 분석 결과를 통해 각 물리적 환경특성이 기온 저감속도와 야간기온에 통계적으로 유의한 영향을 미침을 확인하였다. 본 연구의 시사점은 다음과 같다. 수목을 비롯한 식생의 설치와 반사성 도료의 적용이 기온 저감속도와 야간기온의 측면에서 쾌적한 도시 열환경 조성에 긍정적인 영향요인으로 작용할 것으로 기대된다. 또한 여름철 낮시간대에 가열된 대기온도의 효과적인 저감과 열대야현상 완화를 위해서는 고층고밀의 집약된 도시형태보다 열려있는 형태의 도시가 더욱 바람직 할 것으로 보이며, 효과적인 바람의 유입을 고려한 도시설계적 접근이 필요할 것으로 판단된다. 더 나아가, 상호작용 분석 결과를 통해, 열려있는 도시형태로 인해 증가한 태양복사 입사량의 효과적인 반사와 더불어 닫혀있는 도시형태로 인해 발생하는 태양복사 트래핑 효과(radiation trapping effects)를 최소화하기 위해, 어반 캐니언(urban canyon) 특성을 고려한 반사성 도료의 적용이 필요할 것으로 판단된다. 뿐만 아니라 열려있는 도시공간에서 효과적인 기온저감을 위해서는 수목의 적절한 배치와 설치가 수반되어야 할 것으로 보여진다. 마지막으로, 본 연구의 결과는 효과적인 바람의 대류효과를 위해서는, 바람길(ventilation path)에 영향을 미치는 도시 물리환경 요소들의 상호작용을 신중히 고려해야 함을 시사한다.; Rapid urbanization causing structural and land cover changes has led to higher air temperatures in cities as compared to adjacent rural areas, and this is defined as the Urban Heat Island (UHI) effect. This phenomenon has worsened urban thermal environments over the past few decades, thus causing negative impact on human health. In this regard, this study aims to analyze the impacts of urban physical environments on cooling rates (CR) around sunset time and nocturnal air temperatures in the summer, using climate data collected from 218 Auto Weather Stations (AWS) around Seoul. In order to capture possible nonlinearities and nonlinear interactions between the variables, the Kernel-based Regularized Least Squares (KRLS), a relatively new analytic technique, has been used in this research. Results indicate that, while increases in residential and commercial Gross Floor Areas (GFA) negatively affect CR, high albedo values and sky view factor (SVF), which describes the openness of the urban texture to the sky, enhance it. Higher GFAs in commercial buildings also cause nocturnal air temperatures to increase, possibly due to the great quantity of anthropogenic heat and intrinsic properties of densely built-up commercial areas. Moreover, high Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) and SVFs have mitigating effects on nocturnal air temperatures. These results show that reflective materials and urban vegetation play an important role in ameliorating negative effects on outdoor thermal environments, and that a street canyon with a high SVF creates more desirable built-environment in terms of thermal comfort in urban areas. This study has also conducted several analyses of interaction effects and found that there are significant relationships between 3-dimensional urban elements. These findings suggest that a more comprehensive approach to understanding the effects of various spatial characteristics may improve thermal comfort conditions in terms of CR and nocturnal air temperatures in the summer.