도시지역의 대부분은 주택, 도로, 위락시설 등 도시기반시설이 존재하는 시가화 건조지역으로 구성되어 있다. 특히, 시가화 건조지역의 주요 특징인 인공피복의 면적은 지속적으로 증가하고 있는 추세이며, 우리나라는 1980년대에 국토면적의 2.1%를 차지했으나, 2000년대에 이르러 국토면적의 4.1%로 약 95%가 증가되었다(An et al., 2016). 시가화 건조지역을 주로 구성하는 아스팔트, 콘크리트 등의 인공피복물들은 자연식생피복과는 상이한 열적 특성(반사도, 방출율, 열용량)을 가지고 있기 때문에 이들 지역에서는 주변 교외지역보다 상대적으로 높은 기온 분포가 나타난다(Oke, 1981; Kolokotroni and Giridharan, 2008; Lee et al., 2010; Song et al., 2014).

자연피복으로 주로 이루어진 교외지역에서는 지표면으로 입사된 태양복사에너지가 지표에 의해 반사되거나, 장파복사, 현열, 잠열 에너지 형태로 대기 중으로 방출되어 열과 수분 등의 교환이 원활하게 이루어진다. 하지만, 도시의 시가화 건조지역은 낮은 반사도와 높은 열용량을 가지는 인공피복물로 구성되어 있기 때문에 도시지역의 지표면으로 입사되는 태양복사에너지는 점차 누적되고, 인공 피복물들은 대기중으로 방출되는 수분과 열에너지 전달을 저해 한다. 누적된 태양복사에너지는 도시열섬과 같은 현상을 발생 시킬 수 있으며, 최근 이상기후 현상으로 인해 증가한 폭염 및 열대야와 같은 급작스러운 재난현상과 결합하여 도시열환경을 악화시킬 수 있다.

도시열환경 악화는 도시민들의 온열쾌적성을 떨어뜨리고, 열스트레스를 가중시킨다. 또한 열스트레스의 누적으로 온열질환자·사망사 발생증가 등 심각한 사회적 문제가 발생하고 이로 인해 막대한 사회적 관리비용이 지출되고 있다(Sailor et al., 2002; Scherer et al., 2014; Kim et al., 2013). 이에 따라 도시열환경 문제 개선에 대한 수요는 지속적으로 증대되고 있으며, 도시열환경 개선을 위하여 바람길 확보, 도시지역 녹지 증대 등 다양한 정책과 제도적 시도가 수행되고 있다(Suh, 2007; Eum et al., 2018). 하지만, 대부분의 정책과 해결방안은 녹지화와 같은 단순한 자연피복 증대에 집중되어 있다. 제한된 면적의 공간에서 자연피복의 증대로 인한 온도저감은 한계가 있으며, 결과적으로 도시의 구조적 특징으로 인한 열환경 문제로부터 열적 스트레스와 취약성은 발생할 수 밖에 없는 실정이다(An et al., 2016). 이와 같은 문제에 대응하기 위해서는 도시면적의 대부분을 차지하고, 열환경 문제를 주로 심화시키는 시가화 건조지역의 인공피복에 대해 조사하고 관리하는 체계가 필요하다. 이를 위해서는 우선적으로 도시민들이 생활하는 도시공간의 실제 물리적 구조환경이 반영된 공간정보형태의 열 취약성 정보가 필요하며, 도시민이 느끼는 열 스트레스를 정량적이고 구체적으로 평가할 수 있는 방안이 정립되어야한다.

인간이 느끼는 열 스트레스를 정량화하고 대응기준을 마련하기 위하여 UTCI (Universal Thermal Climate Index; Jendritzky et al., 2012), PMV (Predicted Mean Vote; Fanger, 1970), PT (Perceived Temperature; Staiger et al., 2012) 등의 열스트레스 지수들이 주로 사용되고 있다. 열스트레스 지수들은 단순히 기온만을 이용하지 않고 습도, 평균복사온도, 인체의 생리적 반응, 물리적 환경을 종합적으로 고려하여 산출된다. 태양복사플럭스는 앞서 언급한 열스트레스 지수를 산출하기 위해 사용되는 주요한 요소 중 하나이며, 열 스트레스 지수들에 공통적으로 사용되는 평균복사온도 산출에 필수적인 요소이다. 특히, 도시지역은 건물과 같은 구조물로 인해 복잡한 형태의 표면구조를 가지기 때문에 지표면 뿐만 아니라 건물지붕, 건물벽면 등 수평, 수직의 모든 방향에 대한 복사플럭스 산출이 필요하다.

보다 상세한 도시지역의 복사플럭스와 평균복사온도 산출을 위하여 Lindberg et al.(2008)은 건물의 형태와 식생을 고려한 천개지수(Sky View Factor, SVF), 그림자패턴, 기온, 습도, 일사량 자료를 이용하는 SOLWEIG (SOlar and Longwave Environmental Irradiance Geometry-model) 모델을 개발하였다. 국내에서도 SOLWIG를 이용한 연구가 활발히 진행되고 있는데, Bae et al.(2020)은 청주시내의 폭염시 위험지역 분석을 위해 미시적 공간의 열환경 분석방법으로 SOLWEIG를 활용하였으며, An et al.(2016)은 도시림의 평균복사온도 저감 효과 분석에 활용하였다. SOLWEIG는 상세규모의 복사플럭스 생산과 평균복사온도를 산출의 목적으로 활용영역이 점차적으로 확대되고 있다(An et al., 2020). Yi et al.(2018; 2022)은 SOLWEIG를 이용하여 국내의 실제 도시들을 대상으로 복사플럭스를 산출하고 검증함으로써 도시지역의 열환경 평가에 유용함을 시사하였다. 하지만 태양복사가 활발히 진행되는 시간대에 상향장파 복사플럭스가 다소 과대모의 되는 문제점이 제기되었다.

기존의 선행 연구들에서는 SOLWEIG의 도시지역 지표면 대표 모수가 스웨덴의 태양복사환경을 기준으로 적용되었다. 도시지역 지표를 대표하는 모수(도시지표특성 모수)는 도시지표면으로부터 방출되는 복사플럭스인 상향장파 복사플럭스를 산정하는 주요 요소이며, 태양고도각, 지표온도, 기온과의 관계를 통해 산출된다. 이와 같은 이유로 SOLWEIG의 기본설정을 이용할 경우 국내 실정을 제대로 반영하지 못하는 문제점이 발생할 수 있다. 보다 세밀한 국내도시의 열환경 평가를 위해서는 국내 복사환경이 반영된 도시지표특성 모수의 적용이 필요하다.

본 연구에서는 국내 복사환경을 반영한 도시지표특성 모수를 산출하고 태양복사플럭스 관측자료를 이용하여 도시지표특성 모수의 개선효과를 평가하고자 한다. 이를 위하여 대한민국의 서울과 수도권의 대표적인 도시지역으로부터 측정된 기온, 표면온도, 태양복사자료를 이용하여 도시지표특성 모수를 개선하고, 도시지표특성 모수 개선 전, 후의 SOLWEIG 모의결과 비교·검증을 통해 개선효과를 분석하였다.

기존의 도시지표특성 모수값과 개선된 모수값을 각각 적용한 SOLWEIG 수치모의를 수행하였다. 모의된 결과값들과 6개 지점에서 매시간 관측된 하향단파(K_down), 상향단파(K_up), 하향장파(L_down), 상향장파(L_up) 복사플럭스를 비교하였다.

Table 4와 5는 6개 지점의 복사량을 관측하는 net radiometer 관측 결과와 기존의 도시지표특성 모수와 개선된 도시지표특성 모수를 이용한 SOLWEIG 모의 결과의 검증 수치를 나타낸다.

하향단파 복사플럭스(K_down)의 모의값과 관측 값의 검증수치로 V1 (JUNG), V3 (NOWO), V4 (ANYA), V5 (GANG)에서 R²가 0.9 이상이었다(Table 4). V2 (GAJW), V6 (GURO)에서는 오전시간에 주변 건물의 그림자영향으로 도시지표특성 모수 개선 전, 후의 모든 모의에서 부분적으로 낮은 하향단파 복사플럭스 값이 나타난다.

도시지표특성 모수 개선 전, 후의 모든 모의에서 상향단파 복사플럭스(K_up)는 하향단파 복사플럭스(K_down)의 경향과 거의 유사하게 나타나며, 관측과 모의 값도 거의 비슷한 수준으로 나타났다(R²가 0.7 이상, 그 중 4개 지점은 0.9 이상). 도시지표특성 모수 개선전과 후의 상·하향단파 복사 모의 값이 매우 유사하며, 이는 단파의 경우, 태양으로부터 직접적으로 고려되기 때문에 도시지표특성 모수의 영향을 크게 받지 않기 때문이다.

상향장파 복사플럭스(Lup)는 6개 전 지점에서 관측된 값과 도시지표특성 모수 개선 전, 후 모의 값의 R²가 0.8 이상으로 나타났으며, 6개 지점 모두에서 도시지표특성 모수 개선 후의 R²값이 개선전보다 높게 나타났다. RMSE의 경우, 평균적으로 약 25 W/m² 이상 낮아졌다. 이는 건물지붕에서 개선된 도시표면 모수값의 영향이 상향장파 복사플럭스에 가장 크게 반영되기 때문이다.

상향장파 복사플럭스는 하향장파 복사플럭스보다 대체로 크게 관측이 된다. 장파복사 플럭스는 지표면에서 대기로 전달되지만 대기의 온도가 높은 때는 대기에서 지표면으로 장파복사 플럭스가 전달된다. 지표면에서 방출되는 장파복사 플럭스는 주간에 지표면온도에 민감하게 반응하며, 지표면과 대기의 기온차로 인하여 센서에서 관측되는 상향장파 복사플럭스가 크게 나타난다.

도시지표특성 모수 개선 전의 경우, 6개 모든 지점에서 낮 시간(13 ~ 14시) 최대 상향장파 복사플스 모의 값이 관측된 값보다 다소 높게 나타났다(Fig. 7).

Fig. 7. 
Comparison of observation and simulated (before and after the application of improved urban surface characteristics parameters) longwave radiation flux for (a) V1, (b) V2, (c) V3, (d) V4, (e) V5, (f) V6

관측된 상향장파 복사플럭스의 값은 최대 약 530 W/m²으로 나타나고, 도시지표특성 모수 개선 전의 모의결과는 비교적 과대 산정되었다. V1 (JUNG)의 경우 13시에 최대 80 W/m² 정도 과대 추정되었으며, V5 (GANG)는 최대 113 W/m² 정도 과대 추정하였다. 6개 지점에서 상향장파복사의 과대 추정이 나타났으며, 평균 RMSE는 약 45 W/m² 수준으로 나타났다.

실험 지역들의 표면은 건물옥상으로써 불투수면으로 되어 있는 공통된 특성을 갖고 있는데, SOLWEIG 모델에서 이 건물옥상 표면 특성을 Ts/ηmax, Tstart, Tmax_LST로 반영하였고 모의 과정에서 도시지표특성 모수에 따라 매개변수화 한다. 개선 전 도시지표특성 모수들은 실제 국내 도시지역의 건물지붕을 구성하는 콘크리트 재질이 아닌 자갈도로나 아스팔트도로 상에서 측정된 자료를 바탕으로 산출되었다. 이와 같은 이유로 개선 전의 도시지표특성 모수를 이용한 SOLWEIG 모의값은 실제 건물 지붕으로부터 방출되는 상향장파 복사플럭스 관측 값에 비해 과대하게 추정된다.

개선된 도시지표특성 모수들은 건물지붕에서 측정된 관측 값을 기반으로 산출되었다. 이와 같은 이유로 도시지역 건물에서 방출되는 장파복사는 개선된 도시지표특성 모수를 사용할 경우, 개선 전 도시지표특성 모수를 사용한 경우 보다 실제 관측 값에 가깝게 모의한다. 일출 이후, 10시부터 16시의 태양복사에 의해 지표면이 가열되는 시간동안 과대 추정되던 상향장파복사 값들이 도시지표특성 모수 개선을 통해 보다 실제적으로 모의 되었으며, 상향장파복사의 최대값이 나타나는 시간대의 값들도 도시지표특성 모수 개선을 통해 모의 정확도가 향상되었다.

SOLWEIG 모델에서는 평균복사온도를 생산하며, 그 중 장파복사는 평균복사온도 생산에 주요한 영향을 줄 수 있다. 도시지표특성 모수를 개선함으로 인해 보다 실제적인 평균복사온도 생산이 가능할 것으로 사료된다. Fig. 8은 도시지표특성 모수 개선 전후의 복사플럭스 관측지점의 평균 복사온도를 비교하였다. 도시지표특성 모수 개선 후, JUNG, GAJW, NOWO, ANYA, GANG, GURO 모든 지점에서 일출 후, 지표면 장파복사가 활발히 일어나기 시작하는 10 ~ 16시에서 2 ~ 8℃ 정도 평균복사온도가 낮아졌다. 이는 상향 장파복사 플럭스의 방출이 도시지표특성 모수 개선 전에 비해 감소하였기 때문이다. 평균복사온도는 지표와 건물 벽면으로부터 방출되는 복사플럭스의 평균 계산을 통해 산출되므로 상향장파 복사플럭스가 감소함에 따라 선형적으로 감소되는 경향을 나타낸다. 도시지표특성 모수 개선 전과 후의 상향장파 복사플럭스의 변화량과 평균복사온도의 변화량의 상관성을 조사한 결과, 강한 양의 상관도(JUNG:0.9, GAJW:0.71, NOWO:0.9, ANYA:0.9, GANG:0.9, GURO:0.9)가 나타났으며, 상향 장파플럭스의 정확도 개선은 평균복사온도에 큰 영향을 줄 수 있음을 나타냈다. 앞서 수행된 복사플럭스 검증을 기반으로 도시지표특성 모수 개선이 평균복사온도 산출 정확도를 개선할 수 있음을 간접적으로 확인할 수 있다. 추후 태양복사플럭스 관측과 평균복사온도 관측 병행을 통해 보다 상세한 정량적 평가가 요구된다.

Fig. 8. 
Comparison of observation and simulated (before and after the application of improved urban surface characteristics parameters) mean radiant temperature for (a) V1, (b) V2, (c) V3, (d) V4, (e) V5, (f) V6

본 연구에서는 태양복사플럭스 관측자료를 이용하여, 태양복사모델인 SOLWEIG에 사용되는 도시 모수값을 개선 적용하였고, 도시지역에 설치되어 관측된 복사플럭스 자료와 모의된 결과를 비교 및 검증하였다. 대한민국의 태양복사 특성과 도시의 구조적 특성을 반영한 도시지표특성 모수 개선을 위하여 대표적인 도시지역인 서울 광화문에서 관측된 복사플럭스 자료와 건물지붕의 표면온도, 기온 등 기상자료를 종합하여 도시지표특성 모수를 산출하였다. 산출된 도시지표특성 모수와 기존의 도시지표특성 모수를 SOLWEIG 모델에 적용하여 서울과 수도권 도시지역의 6개 지점에서의 복사플럭스값을 산출하였다. 이를 실제 관측된 복사플럭스 자료와 비교하여 SOLWEIG 복사모델 개선을 통해 상향장파 복사플럭스 모의 정확성이 향상됨을 확인하였다. 또한 평균복사온도 비교를 통해 간접적으로 평균복사온도 정확도 개선에도 영향을 줄 수 있음을 확인하였다.

본 연구에서는 도시지표를 주로 구성하는 콘크리트 등의 건물지붕을 구성하는 인공피복물에 대한 도시지표특성 모수만을 개선하였는데, 최근 도시 열환경 개선을 위하여 도시공원, 바람길 연결 숲 등 도시내부온도를 낮추기 위한 다양한 자연피복의 증가를 위한 정책이 수행되고 있다. 이를 통해 도시지역은 인공피복과 자연피복이 복합적으로 구성되어 더욱 복잡한 열 환경 구조로 변화하고 있음을 알 수 있으며, 복잡해지는 도시지역의 열환경을 분석하기 위해서는 인공피복물 뿐만 아니라 도심지 내에 존재하는, 초지와 나무 등 자연피복물에 대한 도시지표특성 모수 개선이 추가적으로 필요하다. 이와 같은 도시지표특성 모수의 개선을 위해서는 다양한 토지피복상의 복사플럭스 관측 등이 상세규모로 수행되어야 하며, 보다 장기간에 걸친 자료 축적이 필요하다. 후속 연구를 통해 토지피복별 표면온도와 기온의 구조적 특징에 대한 관측이 수행된다면 보다 정확한 복사플럭스와 열환경 정보생산이 가능할 것으로 기대된다.