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도시숲과 가로수가 대기 흐름과 기온에 미치는 영향에 관한 수치 연구

A Numerical Study on the Effects of Urban Forest and Street Tree on Air Flow and Temperature

  • 강건 (부경대학교 슈퍼컴퓨터센터) ;
  • 최원식 (부경대학교 지구환경시스템과학부 환경대기과학전공) ;
  • 김재진 (부경대학교 지구환경시스템과학부 환경대기과학전공)
  • Kang, Geon (Supercomputer Center, Pukyong National University) ;
  • Choi, Wonsik (Major of Environmental Atmospheric Sciences, Division of Earth and Environmental System Sciences, Pukyong National University) ;
  • Kim, Jae-Jin (Major of Environmental Atmospheric Sciences, Division of Earth and Environmental System Sciences, Pukyong National University)
  • 투고 : 2022.12.07
  • 심사 : 2022.12.10
  • 발행 : 2022.12.31

초록

본 연구는 대구 국채보상운동기념 공원 일대를 대상으로 수목이 주변 흐름과 기온에 미치는 영향을 조사하였다. 이를 위하여, 전산유체역학(computational fluid dynamics, CFD) 모델에 수목의 항력 효과와 냉각 효과를 반영하였고 현장 측정 결과와 비교하였다. 기상 유입 경계 조건은 기상청 국지예보모델(local data assimilation and prediction system, LDAPS) 자료를 사용하였다. 수목 유무에 따른 대기 흐름과 기온 분포를 조사하기 위하여, 수목이 존재하는 현재 상태와 수목이 존재하지 않는다고 가정한 상황에 대하여 수치 실험을 수행하였다. 수목이 없는 경우, 공원 내부에서는 장애물 영향이 작아 강한 풍속과 단조로운 흐름이 형성되었다. 기온은 풍속에 반비례하여 풍속이 강한(약한) 지역에서는 낮게(높게) 모의되었다. 반면, 수목이 존재하는 경우, 수목 항력(냉각) 효과는 식재 밀도가 높은 공원 내부의 풍속(기온)을 40 (5)% 이상 감소시켰고 공원 외부 지역까지 영향을 미쳤다. 또한 공원 내부에는 매우 복잡한 흐름이 형성된다. 도로변 근처에서도 가로수에 의해 풍속과 기온이 전체적으로 감소하지만, 수목에 의한 흐름 패턴 변화로 인해 오히려 풍속과 기온이 증가하는 지역도 발생했다. 수목 냉각 효과에 의한 기온 감소는 주간에는 4-6%였지만, 야간에는 1% 미만으로 미비했다. 수목 항력 효과에 의한 풍속 감소는 주·야간 모두 40% 이상 크게 나타났다.

This study investigated the effects of the urban forest and street trees on flow and temperature distribution in the Daegu National Debt Redemption Movement Memorial Park. For this, we implemented tree-drag and tree-cooling parameterization schemes in a computational fluid dynamics (CFD) model and validated the simulated wind speeds, wind directions, and air temperatures against the measured ones. We used the wind speeds, wind directions, air temperatures predicted by the local data assimilation and prediction system (LDAPS) as the inflow boundary conditions. To investigate the flow and thermal characteristics in the presence of trees in the target area, we conducted numerical experiments in the absence and presence of trees. In the absence of trees, strong winds and monotonous flows were formed inside the park, because there were no obstacles inducing friction. The temperature was inversely proportional to the wind speed. In the presence of trees, the wind speeds(temperatures) were reduced by more than 40 (5)% inside the park with a high planting density due to the tree drag (cooling) effect, and those also affected the wind speeds and temperatures outside the park. Even near the roadside, the wind speeds and temperatures were generally reduced by the trees, but the wind speeds and air temperatures increased partly due to the change in the flow pattern caused by tree drag.

키워드

1. 서론

파리협정(Paris Agreement) 이후 유럽연합과 선진국을 중심으로 탄소중립을 실현하기 위한 노력이 전 세계적으로 진행되고 있다. 우리나라도 2021년에 「기후위기 대응을 위해 탄소중립·녹색성장 기본법」이 제정하였고, 탄소흡수원을 확충하고 녹색 국토를 보전·관리하기 위한 법률을 마련하고 있다. 도시계획 분야에서도 탄소중립을 실현하고 기후변화를 완화시키기 위한 노력을 하고 있는데, 그 중 지속가능한 관리 방안으로 도시숲과 가로수 등의 녹지 조성이 대두되고 있다. 「도시숲 등의 조성 및 관리에 관한 법률」은 도시에서 국민의 보건과 휴양을 증진하고 정서 함양과 체험활동 등을 위하여 조성된 산림과 수목을 도시숲으로 정의하고 도로 구역 안 또는 그 주변에 조성·관리하는 수목을 가로수라 정의한다. 기후변화에 적응하기 위한 도시계획과 관리의 중요성이 높아지면서 도시 모델링에 관련된 연구들이 증가하고 있다(Toparlar et al., 2017). 과거에는 풍동 실험이나 현장 측정 등 관측 접근법(observational approach)을 통해 비교적 좁은(짧은) 공간(시간)에 대한 흐름을 분석했으나, 현재는 컴퓨팅 파워가 증가하면서 수치 시뮬레이션 접근법(numerical simulation approach)을 활용하여 보다 넓고 장기간에 대한 대기 흐름 이해가 가능해졌다. 특히, 도시 모델링 분야에서는 전산유체역학(computational fluid dynamics, CFD) 모델이 많이 사용된다. CFD 모델의 고해상도 격자체계는 도시 지역의 건물과 지형, 인공구조물 등을 상세하게 분해할 수 있고, 토지피복을 격자 단위로 분류할 수 있어 도시 지역의 복잡한 흐름과 열환경을 보다 현실적으로 수치 모의할 수 있다.

최근에는 도시 식생과 수목이 흐름과 열환경에 영향을 미치는 중요한 요소로 각광받고 있고, 이를 CFD 모델에서 고려하기 위하여 수목 모수화 방안이 적용되고 있다(Buccolieri et al., 2018). 수목은 투과성 장애물로, 수목을 지나는 흐름은 잎 표면에서의 항력 효과로 인해 풍속이 감소하고 그 주변에는 매우 복잡한 흐름이 형성된다. 또한, 잎 표면에서는 증발과 증산 작용을 통하여 주변 기온을 냉각시킨다. 이전의 대부분의 도시 지역 CFD 모델링 연구에서는 건물과 지형만 고려해왔고, 최근에 들어서야 수목 효과가 고려되기 시작했다(Gromke et al., 2015). 도시계획 단계에서 녹지 조성의 요구와 관심이 증가하는 이 시점에서 도시숲과 가로수가 대기 흐름과 열환경에 미치는 영향을 보다 심층적으로 이해할 필요가 있고, 이를 위해서는 수목 모수화 방안의 도입과 검증이 필요하다.

본 연구에서는 도시숲과 가로수가 주변 흐름과 기온에 미치는 영향을 조사하였다. 이를 위하여 대구 국채보상운동기념 공원을 대상 지역으로 선정하였고 현장 측정을 수행하였다. CFD 모델에 수목의 항력 효과와 냉각 효과를 추가하였고 측정 자료를 이용하여 검증하였다. 수목이 흐름과 기온에 미치는 영향을 분석하기 위하여, 수목이 식재되어 있는 현재 상태와 수목이 없다고 가정한 경우에 대한 수치 실험을 수행하여 비교·분석하였다.

2. 연구 방법

1) 수치 모형

본 연구에서 사용한 CFD 모델은 Kang et al. (2020)이 사용한 모델과 동일하다. 이 모델은 Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) 방정식 계에 근거하고, 3차원 비정수, 비회전, 비압축 대기 흐름을 가정한다. 난류 효과를 매개화 하기 위하여 재규격화군(renormalization group, RNG) 이론에 근거한 k-ε 난류 모형을 이용하고, 벽 근처에서 점성 효과를 고려하기 위하여 Versteeg and Malalasekera (1995)가 제안한 벽면 함수를 사용한다.

수목을 지나는 대기 흐름은 수목 항력 효과에 의해 압력이 손실되어 풍속이 감소하고, 난류 운동 에너지(turbulence kinetic energy, TKE)가 변한다(Balczó et al., 2009). 수목에 의한 항력 효과는 아래 식(1)~(3)과 같이 매개화 되어 기존의 운동량 방정식, TKE 방정식, TKE 소실율 방정식에 추가된다(Balczó et al., 2009).

Fi = – nc3 · cd · LAD · ui · |u|       (1)

Fk = nc3 cd LAD |u|3 – 4nc3 cd k |u|       (2)

\(\begin{aligned}F_{\varepsilon}=\frac{3}{2} \frac{\varepsilon}{k} n_{c}^{3} c_{d} L A D|\boldsymbol{u}|^{3}-6 n_{c}^{3} c_{d} \varepsilon|\boldsymbol{u}|\\\end{aligned}\)      (3)

여기서 ui는 i번째 속도 성분, |u|는 평균 속도이다. nc는 수목이 지표면을 덮은 정도로 수목이 있는(없는) 격자에 1.0 (0.0)으로 설정하였다. cd와 LAD는 각각 잎의 항력 계수와 잎 면적 밀도이다.

잎 표면에서는 증발·증산 작용에 의해 기온이 냉각된다(Bruse and Fleer, 1998). 수목에 의한 냉각 효과는 식(4)와 같이 매개화 되어 열역학에너지 방정식에 추가된다(Bruse and Fleer, 1998).

FT = LAD · 1.1ra–1(Tf – Ta)       (4)

여기서, Tf, Ta는 각각, 잎 표면 온도, 기온을 의미한다. ra는 공기역학적 저항으로 잎의 기하학 구조와 풍속에 관한 함수로 다음과 같이 표현된다.

ra = A(D/W)0.5       (5)

여기서 매개변수 A는 수종에 따라 87 s0.5m–1 (침엽수, 풀)에서 200 s0.5m–1 (낙엽수)사이의 값을 가진다. D는 잎의 직경이고, W는 잎 표면에서 풍속이다. 수목 효과가 포함된 지배방정식 계는 Patankar (1980)가 제안한 semi-implicit method for pressure-linked equation 알고리즘과 유한 체적법을 사용하여 풀이되고, 엇갈림 격자계에서 해석된다.

2) 대상 지역

도시숲과 가로수가 주변 흐름과 기온에 미치는 영향을 분석하기 위하여 대상 지역을 대구 중구 국채보상운동기념 공원을 중심으로 수평 1200 m 영역으로 선정하였다(Fig. 1). 국채보상운동기념 공원은 도심지 내에 위치하고 있고 교목류가 약 3천여 그루, 관목류가 약 4만여 그루 식재되어 있다(대구공공시설관리공단: https://09.dgsisul.or.kr/02_gukchae/sub01.php). 공원을 중심으로 북쪽~북북동쪽에는 비교적 높은 건물들이 위치하고, 동쪽, 서쪽, 남쪽에는 비교적 낮은 건물이 위치한다. 본 연구에서는 CFD 모델의 바람과 기온 모의 성능을 평가하기 위하여 3차원 풍향·풍속계를 고층 건물 옥상(지상 약 124 m)에 한 지점(S1 in Fig. 1), 공원 내부(지상 약 2 m)에 한 지점(S2 in Fig. 1)을 설치하여 2022년 6월 30일부터 7월 3일까지 운영하였다.

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Fig. 1. Satellite image of (a) the target area (source: https://map.naver.com). The gray circles in (b) indicate the position of the 3D sonics (S1 and S2).

3) 수치 실험 설계

CFD 모델의 건물과 지형, 수목에 대한 지표 경계 입력 자료를 생성하기 위하여 지리정보시스템(geographic information system, GIS)과 토지피복자료를 이용하였고, 현장 조사를 통해 세부적인 건물과 수목 높이를 수정하였다. 수치 도면 크기는 동서와 남북 방향은 1200 m로, 연직 방향은 1199 m로 설정하였다(Fig. 2). 수평과 연직 방향의 격자 크기는 각각 5 m와 2 m로 설정하였다. 연직 방향의 경우, 200 m 이상의 고도에서는 연직 격자 크기를 1.1배씩 증가시켰다(연직 격자의 최대 크기는 7.6 m). 격자 개수는 x, y, z 방향으로 각각 320, 320, 238개이다. 수치 적분 시간은 총 3,600초까지 수행하였고, 적분 간격은 1.0초로 설정하였다.

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Fig. 2. Three‒dimensional configuration of buildings and trees considered in this study.

공원 내부 수목과 도로변 가로수의 수고(수목 높이)는 2~15 m로 설정하였고, 지하고(지면에서 수관 최하단부까지 거리)는 2 m로 설정하였다. 그리고 관목 높이는 0.5 m로 설정하였다. 관목은 연직 격자 크기보다 작기때문에 잎면적밀도로 조정된다. 수목의 항력 계수는 0.2로 설정하였고(Buccolieri et al., 2018), 교목과 관목의 잎면적밀도는 도시 지역 평균값(각각 0.7과 2.0 m2·m–3)로 설정하였다(Vos et al., 2013). 수목 위치와 지하고, 관목 지역을 Fig. 3에 제시하였다. 본 연구에서는 수목이 존재하는 현재 상태와 수목이 없다고 가정한 대조 경우에 대한 수치 실험을 수행하였고 각각 CFD-Tree, CFD-Free라고 명명한다.

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Fig. 3. The distributions of (a) trees, (b) their clear lengths, and (c) shrubs in the target area.

기상장에 대한 보다 현실적인 유입 경계 조건을 설정하기 위하여 기상청 국지예보모델(local data assimilation and prediction system, LDAPS)의 수평 바람 성분(u, v)과 기온(Ta) 결과를 CFD 모델 해상도에 맞도록 내삽하여 사용하였다. 유입 경계에서 난류운동에너지(k), 난류운동에너지 소멸률(ε)의 연직 분포는 Castro and Apsley(1997)가 제안한 아래의 연직 분포식을 이용하였다.

\(\begin{aligned}k(z)=\frac{u_{*}^{2}}{C_{\mu}^{1 / 2}}\left(1-\frac{z}{\delta}\right)^{2}\end{aligned}\)       (5)

\(\begin{aligned}\varepsilon(z)=\frac{C_{\mu}^{3 / 4} k^{3 / 2}}{\kappa z}\end{aligned}\)       (6)

여기서, u, κ, δ는 각각 마찰 속도, Von Karman 상수(=0.4), 경계층 두께(= 1263 m)이고 Cμ는 경험적 상수(=0.0845)를 나타낸다(Yakhot et al., 1992).

3. 결과와 토의

1) 측정 자료를 이용한 CFD 모델 검증

본 연구에서는 CFD 모델이 수치 모의한 기상장을 고층(124 m)과 지상(2 m)에 설치한 3차원 풍향·풍속계 자료와 비교·검증하였다. Fig. 4는 분석 기간(2022년 6월 30일~7월 3일) 동안 건물 옥상(약 124 m)에서 측정하고 수치 모의한 기온, 풍속, 풍향 시계열이다. 검정색 원은 측정 자료, 파란색 실선은 LDAPS 결과, 빨간색 실선은 CFD-Free 결과, 초록색 실선은 CFD-Tree 결과를 나타낸다. 분석 기간 중 건물 옥상(S1)에서 지배적으로 측정된 풍향은 주로 남~남서풍과 남동풍계열의 바람이다. 반면, 공원 내부(S2)에서 측정된 풍향은 주로 북~북동풍 계열의 바람이다.

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Fig. 4. Time series of the measured and simulated temperatures (upper panel), wind speeds (middle panel), and wind directions (lower panel) at (a) S1 and (b) S2.

건물 옥상에서 CFD 모델이 수치 모의한 결과는 주변에 장애물(건물, 지형, 수목)의 영향이 적기 때문에 배경 장인 LDAPS 결과와 유사하다. 또한, 수목 영향이 거의 없기 때문에 CFD-Free와 CFD-Tree 결과가 유사하다. 기온의 경우, LDAPS는 측정 기온을 다소 과소모의 하는데, 이는 LDAPS는 건물 옥상의 가열 효과를 고려하지 못하기 때문으로 판단된다. CFD 모델의 경우, 옥상 가열 효과를 반영하여 LDAPS보다 높은 기온을 예측했지만, 낮은 배경 기온으로 인해 측정 기온을 과소 모의하였다. 기온 RMSE의 경우, LDAPS는 3.83°C, CFD-Free는 2.68°C, CFD-Tree는 2.67°C이다. 풍속의 경우, LDAPS는 과대 모의하지만 CFD 모델은 측정과 유사한 풍속을 수치 모의하였다. 풍향의 경우, LDAPS와 CFD 모델이 측정과 유사하게 수치 모의하였다. 풍속(풍향) RMSE의 경우, LDAPS는 2.68 m·s–1(89.07°), CFD-Free는 1.51 m·s–1(89.21°), CFD-Tree는 1.51 m·s–1(89.03°)이다.

공원 내부에서 측정된 기온은 주중(야간)에는 건물 옥상에서 측정된 기온보다 전반적으로 낮은(높은) 특성을 보였다. LDAPS는 지상에서도 기온을 과소 모의하였고, CFD-Free는 지면 가열 효과로 인해 주간 시간대(12~18시)의 기온은 과대 모의한다. CFD-Tree는 고려한 수목 냉각 효과가 지면 가열 효과를 상쇄시킴으로써 측정 기온을 비교적 유사하게 수치 모의하였다. 공원 내부에서 측정된 풍속은 1 m·s–1 미만으로 매우 약했고, CFD 모델은 건물과 수목 효과를 반영하여 LDAPS에 비해 개선된 결과를 보였다. 풍향의 경우, CFD-Free는 주로 서풍 계열의 흐름을 모의하였으나, CFD-Tree는 측정과 유사한 북풍 계열의 흐름을 수치 모의하였다. 공원 내부에서 수목 효과를 반영한 CFD-Tree의 기온, 풍속, 풍향의 RMSE는 각각 1.51°C, 0.27 m·s–1, 90.56°로 수목 효과를 반영하지 않은 CFD-Free보다 우수하였다.

2) 수목 유무에 따른 흐름과 기온 분포 특성

분석 기간 동안 흐름과 기온 분포 특성을 조사하였다. Fig. 5는 2022년 7월 1일 17시 지표면(1.0 m) 흐름(유선, 풍속), 기온, 상대 변화율(relative change ratio, RCR) 분포를 나타낸다.

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Fig. 5. The distributions of the (a) wind speeds and (b) temperatures with streamlines at 1.0 m in the CFD-Free (upper panel) and CFD-Tree cases (middle panel) at 17LST July 1, 2022. The lower panel is for the distributions of the relative change ratios of the wind speeds and temperatures.

수목이 없는 경우, 공원 내부에는 장애물 영향이 적기 때문에 비교적 강한 풍속이 나타나고, 서풍 계열의 흐름이 형성된다. 반면, 수목이 존재하는 경우, 수목 항력 효과로 인해서 풍속이 CFD-Free에 비해 40%에서 크게는 80%이상 감소하고 매우 복잡한 흐름이 형성된다. CFD-Free의 경우 S2 주변에는 측정 풍향(북풍 계열)과 다소 차이나는 흐름(서풍 계열)이 형성된다. 그러나, CFD-Tree에서는 수목이 S2로 유입되는 서풍 계열의 흐름을 약화시키고, 건물 A를 따라 하강하고 지표에서 발산하는 흐름이 S2 위치까지 유입되어 소닉 주변에는 북풍 계열의 흐름이 형성된다. 배경 흐름(남서풍)과 나란한 도로 협곡에서는 도로를 따라 바람길이 형성되고, 배경 흐름에 수직방향인 도로 협곡에서는 내부 소용돌이에 의한 지표 근처에서 역류가 형성된다.

기온의 경우, 건물에 가로막혀 흐름의 유출입이 활발하지 않는 안락처(shelter) 지역과 풍속이 약한 곳에서는 지면 가열 효과로 인해 높아진 기온이 외부로 빠져나가지 못하고 축적된다. 한편, 고층 건물 주변에서는 낮은 기온이 나타나는데, 이는 상층의 상대적으로 낮은 기온이 건물 벽면을 따라 하강하는 흐름(downdraft)을 따라 지상으로 유입되기 때문이다. 수목을 식재한 경우, 기온은 수목 냉각 효과로 인하여 공원 내부에서는 CFD-Free에 비해 4% 이상 감소하였고, 도로변에서는 2–4% 감소하였다.

수목 항력(냉각) 효과로 인하여 대상지역의 풍속(기온)은 전체적으로 감소(변화율 그림에서 푸른색 계열)하지만, 부분적으로 풍속(기온)이 오히려 증가하는 지역(붉은색 계열)도 발생한다. Fig. 6은 Fig. 5에서 ①과 ②지역을 확대한 그림이다. 수목이 없는 경우, 도로와 공원에서 서풍 계열의 강한 흐름이 유입된다. 반면 수목이 있는 경우, 가로수와 공원 수목으로 인해 서풍 흐름이 약화되고 흐름 수렴대(노란 점선)가 서쪽으로 이동하게 되면서 풍속이 증가하는 지역이 발생한다.

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Fig. 6. The distributions of the wind speeds in the area of (a) ① and (b) ② in Fig. 5 in the CFD-Free (left panel) and CFD-Tree cases (middle panel). The right panel is for the distributions of the relative change ratios of the wind speeds.

Fig. 7은 Fig. 5에서 ③지역을 확대한 것이다. 수목이 없는 경우, 건물 B 상층에 부딪힌 흐름은 벽면을 따라 하강하여 지상 근처에서 강한 역류와 소용돌이(V1)를 형성시킨다. 지상 역류는 공원 내부까지 강하게 유입된다. 반면, 수목이 있는 경우에는 도로변 가로수에 의해 역류의 풍속이 CFD-Free에 비해 40–60% 감소하고, 공원 내부 풍속은 60% 이상 크게 감소한다. 지상 근처에서 약해진 흐름에 의해 건물 B 풍상측 부근의 소용돌이(V2) 크기도 CFD-Free에 비해 감소하였다. 건물 B 풍상측의 하강기류와 역류는 상층 냉기를 지상으로 수송하는 역할을 하는데, 도로변에 식재된 가로수들에 의해 벽근처의 하강기류와 역류가 약화되어 지표 근처의 기온이 CFD-Free에 비해 2–6% 상승한다(④ in Fig. 7(b)).

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Fig. 7. The distributions of the (a) wind speeds and (b) temperatures in the area of ③ in Fig. 5 in the CFD-Free (upper panel) and CFD-Tree cases (middle panel). The lower panel is for the distributions of the relative change ratios of the wind speeds and temperatures.

3) 주간·야간 동안 평균적인 수목 효과

도시숲과 가로수가 평균 풍속과 기온에 미치는 영향을 조사하였다. Fig. 8과 9는 각각 2022년 6월 30일부터 7월 3일까지 주간(07~20시)과 야간(01~06시, 21~23시)의 평균 풍속, 기온, 상대 변화율 분포를 나타낸다.

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Fig. 8. The same as Fig. 5 except for the daytime (07LST–20LST) wind speeds and temperatures averaged during the target period.

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Fig. 9. The same as Fig. 5 except for the nighttime (21LST–06LST) wind speeds and temperatures averaged during the target period.

수목이 없는 경우에 장애물이 적은 공원 내부와 고층 건물 주변에서는 주간평균 풍속이 비교적 강하게 모의되었고, 배경 흐름(서풍 계열)에 수직 방향인 도로 협곡(⑤ in Fig. 8(a))과 건물 풍하측(⑥ in Fig. 8(a))에서는 약하게 모의되었다. 기온은 풍속에 반비례하였는데, 풍속이 강한(약한) 지역에서는 낮게(높게) 모의되었다. 수목이 있는 경우, 수목 항력 효과로 인하여 대상 지역의 주간 평균 풍속이 CFD-Free에 비해 전체적으로 감소하였고, 특히, 식재 밀도가 높은 공원 내부에서 60% 이상 크게 감소하였다. 기온의 경우, 공원 내부에는 수목 냉각 효과로 인하여 평균적으로 4–6% 감소하였고, 공원 내부에서 냉각된 기온은 풍하측 지역으로 수송되어 공원 경계 부근과 도로 근처의 기온을 2–4% 감소시켰다. 공원에서 상대적으로 멀리 위치한 도로변에서는 0–2% 감소한다.

분석 기간동안 야간 시간대에는 풍속과 기온이 주간에 비해 전반적으로 낮았다. 수목의 유무에 따라 풍속은 주간과 유사한 감소율을 보였으나, 기온의 경우 수목 유무에 따른 큰 차이를 보이지 않았다.

4. 결론

본 연구는 도시숲과 가로수가 주변 흐름과 기온에 미치는 영향을 조사하였다. 대상 지역은 대구 중구 국채보상운동기념 공원 일대로 선정하였고, 공원 내부에는 수천 그루의 교목과 수만 그루의 관목이 혼합되어 식재되어 있다. 건물과 지형, 수목에 대한 지표경계자료는 지리정보시스템, 토지피복자료, 현장 조사 등을 통해 구축하였다. 기상장에 대한 유입 경계 조건은 기상청 국지예보모델(LDAPS) 자료를 사용하였다. CFD 모델에 수목 항력 효과와 냉각 효과를 반영하였고 대상 지역 내한 고층 건물 옥상(124 m)과 지상(2 m)에 설치된 3차원 풍향·풍속계 자료와 비교·검증하였다. 분석 기간은 2022년 6월 30일부터 7월 3일까지이다. 건물 옥상 위치에서는 주변 장애물 영향이 작기 때문에 CFD 모델이 배경장인 LDAPS 결과와 유사하였다. 지상 근처에서는 건물, 지형, 수목 영향을 반영하는 CFD 모델이 LDAPS에 비해 측정 결과와 유사하게 수치 모의하는 것을 확인하였다.

본 연구에서는 수목 유무에 따른 대기 흐름과 기온 분포를 조사하였고, 수목이 존재하는 현재 상태와 수목이 존재하지 않는다고 가정한 상황에 대하여 수치 실험을 수행하였다. 수목이 없는 경우, 공원 내부에는 비교적 강한 풍속과 서풍 계열의 흐름이 형성된다. 반면, 수목이 존재하는 경우, 수목 항력 효과로 인해서 풍속이 40% 이상 감소하고 매우 복잡한 흐름이 형성된다. 도로변 근처에서도 가로수에 의해 풍속과 기온이 감소하지만, 흐름 패턴의 변화로 인하여 오히려 풍속과 기온이 증가하는 지역도 발생한다.

도시숲과 가로수가 대상 지역 내의 평균 풍속과 기온에 미치는 영향을 조사하였다. 분석 기간(2022년 6월 30일부터 7월 3일) 중 주간(07~20시)과 야간(21시~익일 06시) 시간대의 평균 풍속과 기온을 비교하였다. 주간 시간대의 경우, 수목이 없는 경우에 공원 내부와 고층 건물 주변에서는 평균 풍속이 비교적 강했고 도로 협곡과 안락처 지역에서는 약하게 나타났다. 기온은 풍속에 반비례하여 나타났다. 수목이 있는 경우, 수목 항력 효과로 인하여 대상 지역의 평균 풍속은 수목이 없는 경우에 비해 전체적으로 감소하였고, 식재 밀도가 높은 공원 중심부에서는 60% 이상 크게 감소하였다. 기온은 수목 냉각 효과로 공원 내에서는 약 4–6% 감소하였고, 공원 내부에서 냉각된 공기가 공원 주변 지역으로 수송되어 기온을 2–4% 감소시켰다. 야간 시간대에도 수목에 의해 공원 내부의 풍속이 40% 이상 크게 감소하였다. 그러나, 기온의 경우 수목 유무에 따른 차이가 –1–1%로 작게 나타났다.

도시 지역의 풍환경과 열환경 그리고 오염물질 확산에 관한 연구의 대부분은 건물과 지형 등을 중점으로 수행되어왔다. 그러나, 본 연구 결과에서 보였듯이 수목은 대기 흐름과 기온 분포에 큰 영향을 미친다. 따라서 보다 현실적인 도시 규모 모델링을 위해서는 수목의 효과를 반영해야 할 것으로 판단된다. 본 연구에서는 대상 지역 내 수목의 특성을 교목과 관목으로만 구분하였다. 향후, 보다 상세한 수종을 반영한다면 보다 개선된 결과를 도출할 수 있을 것으로 기대된다.

사사

본 연구는 산림청(한국임업진흥원) 산림과학기술 연구개발사업(2022428C10-2224-0802)의 지원에 의하여 이루어진 것입니다.

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