지표면 도시열섬강도의 시공간적 분포와 영향을 주는 변수 분석 : 국내 30개 도시를 대상으로

Ⅰ. 서 론

급속한 도시화로 인하여 도시 온도는 지구 평균 기온의 변화보다 더욱 빠르게 변하였다(Grimm et al., 2008). 특히 도심 지역은 주변 지역보다 열을 발생시키고 보존하여 더 높은 온도를 갖게 되었고 이러한 현상을 도시열섬현상이라고 한다. 도시열섬현상은 순 일차 생산량과 생물다양성을 감소시키는 등 환경적으로도 부정적인 영향을 끼칠 뿐만 아니라(Grimm et al., 2008; Imhoff et al., 2010), 냉방의 수요를 높이고 도시민의 폭력성과 온열 질환 비율을 높이는 등 인간에게도 부정적인 영향을 끼친다(Santamouris et al., 2001; O’Loughlin et al., 2012). 이러한 영향은 기후변화로 인하여 더욱 심각해질 것으로 예상된다(Lin et al., 2015). 따라서 도시열섬현상의 완화는 도시계획상에서 고려되어야 하며 열섬이 발생하는 지역의 공간적 특징에 대한 이해가 요구되고 있다(Wang et al., 2015).

아직까지 많은 연구자들이 도시열섬현상을 연구할 때 도시의 온도 값만을 이용하기 때문에 도시열섬현상을 정량적으로 분석하는 데 한계를 가지고 있다. 따라서 도시열섬현상을 측정해줄 수 있는 도시열섬강도(Urban Heat Island Intensity, UHII)에 대한 연구가 필요하다. UHII는 도시에 위치한 기상측정값과 주변 지역에 위치한 기상측정값의 차이 값으로 나타내진다(Fujibe, 2009). 하지만 기상측정을 할 수 있는 관측소의 분포밀도가 낮고 지역적인 상태에 따라 그 값에 영향을 받을 수 있기 때문에 도시의 공간적 규모에서는 기상측정값을 이용하여 연구를 하기에 어려움이 있다(Wang et al., 2015). 반면에 원격탐사는 시간적, 공간적으로 지표면 온도(Land Surface Temperature, LST)에 대해 많은 정보를 파악할 수 있게 해준다(Peng et al., 2011). 위성영상의 열 밴드로부터 지표면온도를 취득할 수 있는데, 최근에는 도시와 주변지역의 지표면온도 이용하여 UHII를 측정한 지표면도시열섬강도(Surface Urban Heat Island Intensity, SUHII)에 대한 연구가 많이 진행되고 있다(Zhou et al., 2014).

SUHII는 도시 별로 다른 값을 나타내며 시간별, 계절별로 값이 변하게 된다. Wang(2015)과 Zhou(2014)는 중국의 주요 도시들에 대해서 인공열, 도시 형태, 지표면 특성에 따른 시공간적 SUHII를 분석하였으며, Debbage(2015)는 미국을 대상으로, Peng(2011)은 전 세계를 대상으로 계절별, 일별 SUHII의 특성 변화에 대해서 분석하였다(Debbage et al., 2012; Zhou et al., 2014; Wang et al., 2015). 국내의 도시열섬연구에서는 특정 도시의 LST의 시공간적 변화에 대해서는 연구되었지만(안지숙∙김해동, 2006; 구해정 외., 2007; 도우곤∙정우식, 2012), 도시열섬강도를 이용하여 도시간의 분포 차이를 보지는 못했다는 한계점이 있다. 국내의 도시열섬현상은 더 이상 특정 도시에 국한되는 문제가 아니며, 대부분의 도시에서 열대야와 폭염이 나타나고 있다(국민안전처, 2015). 특히 하절기에 나타나는 열대야는 점차 급증하고 있어 도시 열 환경에 큰 문제가 되고 있다(이강국·홍원화, 2007). 따라서 주간과 야간에 대해 어떤 도시가 도시열섬현상이 문제가 되고 있는지, 그 원인이 무엇인지 연구할 필요가 있다.

본 연구의 목적은 원격탐사 기법을 이용하여 국내의 도시들에 대한 열섬강도의 시공간적인 분포에 대한 도시간의 차이를 파악하고 이에 영향을 주는 요인을 분석하는 것이다. 시간적으로는 주간과 야간의 차이를 보았으며, 공간적으로는 전국 30개 도시들을 비교하였다. 이는 국내 도시열섬강도에 대한 전국적인 비교를 가능하게 해주며 공간적, 시간적으로 서로 다른 원인을 파악하게 해주어, 이에 따른 도시열섬 완화 정책 수립에 도움을 줄 수 있을 것으로 판단된다.

Ⅱ. 연구 범위

Ⅲ. 연구 방법

1. 연구의 흐름

본 연구는 크게 세 단계로 구성된다(그림 1). 첫 번째 단계는 SUHII를 계산하는 것이다. 이를 위해 우선 Landsat8 영상을 Envi4.5를 활용하여 시가화지역을 추출하였다. 추출된 시가화지역을 이용하여 도심지와 외곽지역을 선정한 후, 지표면온도를 이용하여 30개 도시의 SUHII를 계산하였다. 두 번째로 선행연구를 참고하여 SUHII에 영향을 주는 변수를 선정하고 구축하였다. 마지막으로 SPSS18.0에서 제공하고 있는 회귀분석을 통해 SUHII와 변수들 간의 관계를 확인하였다.

Figure 1.

Study flowchart

3. 설명변수 구축

일반적으로 도시 열섬 강도에 영향을 주는 요인은 도시규모, 지표면의 특성, 기상요소로 나누어져 설명된다. 도시 규모는 도시에서 내뿜는 인공열을 설명하는 변수로, 인공열은 현열로 변환되어 SUHII에 간접적으로 영향을 미친다(Peng et al., 2011). 본 연구에서는 도시규모 변수로 도시크기와 인구밀도를 선정하였다(Hwan et al., 2013). 도시크기와 인구밀도는 국가통계청(KOSIS)에서 제공하는 국토이용현황(2008-2014) 자료와 인구(2010)자료를 이용하여 추출하였다. 지표면의 특성은 식생활력도와 지표면의 반사도가 도시열섬에 영향을 주는변수로 알려져 있다. 본 연구에서는 식생활력도(Enhanced Vegetation Index, EVI)와 알베도(Albedo)를 변수로 선정하였다(Peng et al., 2011; Clinton and Gong, 2013; Zhou et al., 2014). EVI와 Albedo 모두 MODIS 16-day 합성자료로 각각 해상도 250m의 MOD13Q1와 500m의 MCD43A3로부터 추출하였다. Albedo의 경우 BSA(Black Sky Albedo)와 WSA(White Sky Albedo)가 있는데 BSA는 WSA와 높은 선적인 상관관계를 가지므로 본 연구에서는 WSA만 사용하였다(Peng et al., 2011; Zhou et al., 2014). 기상요소는 기상청(KMA. 2011)으로부터 6, 7, 8월의 평균 일사량, 일 평균기온, 평균 강수량을 추출하여 변수로 선정하였다. 또한 3면이 바다로 둘러싸여있어 바다의 영향을 많이 받는 국내 도시의 특성을 반영하기 위하여 바다로부터 거리를 환경부 토지피복도(2009)자료로부터 추출하여 변수로 선정하였다. 선정된 변수는 표 1과 같다.

Table1.

Selected variables related to SUHII

Ⅳ. 결과 및 고찰

1. 지표면도시열섬강도(SUHII) 분석

Landsat 8 영상을 이용하여 국내의 시가화지역을 분류한 결과, Google earth를 이용한 전체 정확도는 79%이고, Kappa 계수는 0.59로 나타났다(표 2). 이를 이용하여 도심지와 외곽지역을 추출했으며, 그 중 대전의 도심지와 외곽지역 주제도는 그림 3과 같다¹⁾

Figure 3.

Urban and suburban area of Daejeon

MYD11A2를 이용하여 대상지내 6월, 7월, 8월의 LST를 평균하여 주·야간의 평균 LST를 구축하였으며, 위에서 도출한 도심지와 외곽지역을 이용하여 각각의 지역에 해당하는 LST를 추출하였다. 이를 통해 SUHII를 계산한 결과는 그림 4과 같다. 주간의 SUHII는 19.56℃부터 6.01℃까지 값의 분포를 나타냈다. 포항, 대구, 울산, 부산, 창원이 16℃가 넘는 값을 보였으며 의정부, 용인, 고양, 부천, 광명, 안양에서 낮은 값을 보였다. 야간의 SUHII는 6.58℃부터 2.2℃까지로, 대구, 청주, 울산, 광주가 5℃가 넘는 값을 보였으며 군포, 부천, 안양이 낮은 값을 나타냈다. 이는 중남부지방의 내륙도시에서 도시열섬 강도가 높으며, 해안도시에서는 상대적으로 낮은 경향을 갖는 것을 나타낸다.

Table 2.

Built-up area classification accuracy assessment

또한 SUHII값이 야간보다 주간에 더 큰 것을 알 수 있었다. 일반적으로 주간의 SUHII는 여름에 특히 커지 경향을 가지며 일부 지역을 제외하고 야간보다 주간에 더 높게 나타난다(Wang et al., 2015)는 선행연구 결과와 일치하는 결과를 보여주었다. 주야간의 SUHII를 도시별로 정렬하였을 때, 상대적으로 야간보다 주간에 더 SUHII가 큰 도시는 포항, 부산, 창원, 안산 등으로 해안 도시였으며 주간보다 야간에 더 큰 도시는 대전, 용인, 광명 등으로 중부지역의 도시에 분포하는 것으로 나타났다. 또한 주, 야간 모두 크게 나타난 도시는 대구, 울산으로 도시열섬이 심각하게 나타나는 남부지역의 도시였으며, 둘 다 낮게 나타난 도시는 군포, 부천, 안양으로 이들 도시는 도심지와 외곽지역의 온도 차이가 크지 않는 것으로 판단된다.

Figure 4.

SUHII of 30 cities in South Korea

2. 설명변수 추출

8개의 설명변수를 추출한 결과 표 3, 그림 5와 같이 나타났다. 인구밀도(만명/㎢)는 2.2부터 0.1까지 수도권에 크게 나타났다. 도시크기(㎢)는 20.8부터 524까지 서울, 부산, 대구, 광주 같은 광역시에서 크게 나타났다. EVI는 0.4부터 0.7까지 서울과 부산에서 가장 작게 나타났으며, WSA는 121부터 155.3까지 서울, 포항, 부산에서 작게 나타났다. Dist_Sea(㎞)는 2.49부터 93.5까지, 일사량(cal/㎠)은 449.7부터 481.4까지 남쪽으로 갈수록 높아졌으며, 평균기온(℃)은 23.6부터 24.5, 평균 강수량(㎜)은 170.3부터 301.2까지 수도권과 진주에 높게 분포하였다.

Table3.

Descriptive statistics of explanatory variable

Figure 5.

Result of variables about study site PD(population density), CS(city size), EVI, WSA, Dist_sea, RD(average radiation), TP(average temperature), PC(average precipitation)

3. SUHII에 영향을 주는 변수 선정

1) 주간 SUHII에 영향을 주는 변수

주간 SUHII를 종속변수로, 9개의 변수를 독립변수로 하여 회귀분석을 실시한 결과는 아래와 같다(식 2).

$\[ \begin{array}{c}y=55.795-{0.175}_{x_1}-{0.068}_{x_2}-{2.860}_{x_3}+{0.03}_{x_4}\\ \begin{array}{c}{x}_1=WSA, x_2=\text{강수랑}\left(mm\right),\hfill \\ x_3=\text{인구밀도}\left(\text{만명}/k{m}^2\right), x_4=Dist\_sea\hfill \end{array}\end{array} \]$

(2)

모형의 R² 값은 0.649이며 적합도 검정결과 p=0.000으로 매우 유의하게 나타났다. 또한 변수 간 분산팽창요인(Variance inflation factor, VIF)값을 통해서 다중공선성 문제가 없음을 확인하였다. R²값이 8개의 변수 중 국내 30개 도시의 주간 SUHII에 주는 영향력이 유의하게 나타나 모형에 포함된 변수는 WSA, 강수량, 인구밀도, Dist_sea로 WSA, 강수량, 인구밀도가 작아질수록 바다로부터의 거리가 커질수록 주간 SUHII가 증가한다는 것을 알 수 있었다(표 4). 다른 변수 값이 동일할 경우 WSA가 1증가하면 SUHII가 1.75℃가 감소, 강수량이 1mm증가하면 0.175℃가 감소, 인구밀도가 1만명/km² 증가하면 2.86℃가 감소하는 것으로 파악되었다. 바다로부터의 거리는 1km 증가하면 SUHII는 0.03℃ 증가하는 것으로 파악되었다.

WSA는 높아질수록 그 지표면에서 반사되는 에너지양이 많아지고 남아있는 에너지양이 감소하여 지표면온도가 감소한다(Clinton and Gong, 2013; Zhou et al., 2014). 국내 도시들의 경우 익산, 아산, 평택, 천안, 구미, 원주 등에서 높은 WSA값을 갖지만 포항, 부산, 서울에서는 낮은 값을 갖는다. 알베도는 도시 건축물 및 포장, 토지피복의 변화로 인하여 변할 수 있다. 따라서 알베도가 낮은 어두운색의 아스팔트나 콘크리트와 같은 피복보다 녹지 혹은 밝은 색의 피복 면적을 넓힘으로써 알베도를 높일 수 있어 이와 같은 열섬저감 방안이 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

강수량의 경우 비가 온 후 증발량이 증가하여 현열이 감소되는 효과를 갖기 때문에 음의 관계를 갖는다. 강수량뿐만 아니라 상대습도가 증가하면 열섬 강도가 낮아지기도 한다(Kim and Baik, 2004).바다로부터의 거리는 멀수록 열섬강도가 증가하는 것으로 나타났는데, 강수량과 유사한 이유로 바다로부터의 거리가 가까울수록 습도가 증가해 온도 낮아질 뿐만 아니라, 주간에 바다의 온도가 육지보다 낮아 형성되는 대류로 인한 온도감소가 존재하는 것으로 판단된다.

일반적으로 인구밀도는 SUHII와 양의 관계를 갖는다(Debbage and Shepherd, 2015; Wang et al., 2015). 그러나 국내의 경우 인구밀도가 비교적 낮은 대구, 포항, 울산, 부산, 창원 등의 도시가 높은 SUHII를 갖기 때문에 음의 관계를 보이는 것으로 나타났다. 인구밀도가 높은 도시로는 안양, 부천, 용인 등으로 위의 도시들보다 낮은 SUHII값을 갖는다. 이러한 결과를 보이는 이유는 수도권에 위치한 도시들이 서로 밀집해 있어 외곽지역의 온도가 비교적 높기 때문인 것으로 판단된다. 이는 우리나라에 서울과 경기도에 걸쳐서 크게 나타나고 있는 대규모 도시권으로 인해 나타나는 특징으로 보인다. 따라서 국내의 30개 도시에서는 인구밀도가 높아지면 SUHII가 증가한다는 가설이 성립되지 않는다.

Table 4.

Regression model of day SUHII

2) 야간 SUHII에 영향을 주는 변수

야간 SUHII를 종속변수로, 9개의 변수를 독립변수로 회귀분석을 실시한 결과는 아래와 같다(식 3).

$\[ \begin{array}{c}y=-27.816-{0.04}_{x_1}+{1.575}_{x_2}-{0.662}_{x_3}+{0.17}_{x_4}\\ \begin{array}{c}{x}_1=WSA, x_2=\text{평균기온}\left(℃\right),\hfill \\ x_3=\text{인구밀도}\left(\text{만명}/k{m}^2\right), x_4=Dist\_sea\hfill \end{array}\end{array} \]$

(3)

모형의 R² 값은 0.444이며 적합도 검정결과 p=0.004로 유의한 것으로 나타났다. VIF값이 작아 다중공산선 문제도 없는 것으로 나타났다. 8개의 변수 중 야간 SUHII에 주는 영향력이 유의한 것으로 나타나 모형에 포함된 변수는 WSA, 평균기온, 인구밀도, Dist_sea로, 평균기온을 제외하고 주간 SUHII 모형에 포함된 변수와 동일하게 나타났다. 모형의 다른 변수가 동일한 값일 때, WSA와 인구밀도가 커질수록 SUHII가 증가하며, 바다로부터의 거리가 커질수록 SUHII가 감소하는 것을 알 수 있었으며, 평균기온은 증가할수록 SUHII가 증가하는 것을 알 수 있었다(표 5). 다른 변수 값이 동일할 경우 WSA가 1증가하면 SUHII가 0.04℃가 감소 인구밀도가 1만/km² 증가하면 0.662℃가 감소, 평균기온이 1℃ 증가하면 1.575℃ 증가, 바다로부터의 거리가 1km 증가하면 0.17℃ 증가하는 것으로 파악되었다. WSA, 인구밀도, 바다로부터의 요인은 주간과 마찬가지의 이유로 SUHII에 영향을 주지만 그 영향력은 주간보다 낮게 나타난다. 강수량의 경우 야간에는 주간보다 증발작용이 줄어들어 야간 SUHII에 영향을 주지 못하며 이보다 평균기온가 더 큰 영향을 주는 것으로 판단된다.

Table 5.

Regression model of night SUHII

3) SUHII에 영향을 주지 않는 변수

8개의 변수 중에서 인구밀도, WSA, 강수량, 평균기온, 바다로부터의 거리 변수는 주간과 야간의 SUHII 모형에 유의한 영향을 나타냈지만, 도시크기, EVI, 일사량은 유의한 영향을 나타내지 못했다.

EVI가 높아지면 식생이 주는 그림자 효과와 증발산 효과가 커지면서 열섬 강도가 줄어든다(Peng et al., 2011). 그러나 EVI가 국내의 SUHII에 영향을 끼치지 못한 이유는 국내 도시 내의 EVI값들이 다소 낮아 도시별로 큰 차이가 없었기 때문으로 판단된다. 도시크기는 도시규모를 나타내는 변수로 일반적으로 SUHII와 양의 관계를 갖는다(Imhoff et al., 2010). 그러나 국내 30개의 도시의 규모는 SUHII와 상관성을 갖지 못하고 있다. 도시 규모가 300km² 이상인 서울, 고양, 광명이 상대적으로 주간은 SUHII값을 갖고 있으며, 도시규모가 작더라도 포항, 울산의 경우 상대적으로 높은 SUHII값을 갖는다. 따라서 인구밀도와 마찬가지의 이유로 도시크기는 국내 30개 도시의 열섬강도에 영향을 주는 변수가 아닌 것으로 판단된다. 일사량의 경우, 야간의 SUHII와는 상관이 없지만 주간의 SUHII와는 유의한 상관성을 나타냈다(Pearson 0.47, p=0.09). 그럼에도 다중 회귀 분석에서는, 다른 변수들이 통제되었을 때 유의한 영향력을 끼치지 못한 것으로 보인다. 그 이유는 강수량(Pearson -0.538, p=0.000), 평균기온과(Pearson 0.828, p=0.000) 높은 상관성을 갖기 때문인 것으로 판단된다.

Ⅴ. 결 론

본 연구는 국내 30개 도시에서 나타나는 SUHII의 주·야간의 분포와 이에 영향을 끼치는 요인에 대해서 분석하였다. 본 연구를 통해서 국내의 주간과 야간의 SUHII가 다르게 나타나는 것을 밝혀내었다. 시간적 차이로는 여름기간 동안의 SUHII는 야간보다 주간에 더 크게 나타나는 경향을 지녔으며, 공간적인 차이로는 대구, 울산, 창원, 광주가 주·야간 모두 SUHII가 높은 지역에 속했고 부천과 안양이 SUHII가 주간은 지역에 속했다.

설명변수를 이용해서 회귀 분석을 실시한 결과, 국내 30개 도시의 주간과 야간 SUHII에 영향을 주는 변수는 유사하게 나타났다. 공통적으로 WSA, 인구밀도, 바다로부터의 거리가 SUHII에 영향을 주는 변수로 나타났으며 WSA, 인구밀도는 음(-)의 영향력을, 바다로부터의 거리는 양(+)의 영향력을 끼쳤으며, 이들 변수의 영향력은 야간보다 주간에 더 크게 나타났다. 차이점으로는 강수량은 주간에만 (-)의 영향력을, 평균기온은 야간에만 양(+)의 영향력을 끼치는 것으로 나타났다. 또한 SUHII에 영향을 줄 것으로 판단되었던 EVI, 일사량, 도시크기는 국내 30개 도시에 대해서는 영향을 주지 못하는 것으로 나타났다.

SUHII에 영향을 주는 변수 중 도시 설계 및 계획을 통해서 조절이 가능한 변수는 WSA로 나타났다. 회귀분석 결과 WSA가 10 증가할 때마다 주간에는 –1.7℃, 야간에는 –0.4℃의 차이를 가져오는 것으로 나타났다. 따라서 앞으로 국내 SUHII를 조절하기 위해서는 도시 내 알베도를 높이는 전략이 필요하다고 판단된다. 일례로 요즘에는 옥상을 녹화하는 것보다 백색의 페인트를 이용한 쿨루프(Cool roof)가 온도감소에 효과적이라는 연구가 있다(Zinzi and Agnoli, 2012). 이처럼 도시 내 알베도를 높일 수 있는 연구와 이에 합당한 도시계획이 함께 이루어질 필요가 있을 것이다.

또한 도시별로는 주간에 SUHII가 큰 포항, 부산, 대구, 울산과 같은 도시는 일사량이 크므로 수목이나 건축물의 그림자를 통해 도심지로 들어오는 일사량을 줄이는 방향으로 열섬완화 정책이 제시될 필요가 있다. 또한 다른 도시에 비하여 WSA가 특히 낮은 서울, 부산, 포항은 지표면의 알베도를 높이는 방향으로 열섬완화 정책이 제시되어야 할 것이다.

향후 도시화와 기후변화가 진행이 되면 도시열섬강도는 더욱 심해질 수 있다. 특히 평균기온이 상승하여 야간의 SUHII가 증가할 것으로 예상되므로, 주간뿐만 아니라 야간의 열섬현상을 완화시키기 위한 노력이 진행되어야 할 것으로 판단된다.

지금까지 도시열섬에 대한 연구는 특정 도시에 대한 절대 온도 값을 이용해 이루어진 경우가 많았기 때문에 그 도시에만 해당하는 열섬 완화정책을 제안하지 밖에 못했다. 하지만 본 연구는 도시열섬을 정량적으로 측정하여 국내 도시별, 주야간별 도시열섬의 분포를 분석하여 각각 어떤 원인에 의해서 결정되는지 분석할 수 있었다.

본 연구에서는 모형의 설명력이 다소 낮게 나타나는 한계점이 있었다. 일반적으로 도시열섬강도 예측모형은 높게 나타나기 어려운데, 이는 도시열섬이 복잡한 환경의 영향으로 인해 나타나기 때문이며 본 연구에서 분석 단위가 도시단위로 거시적인 차원에 머물러 있기 때문인 것으로 판단된다.

앞으로 본 연구를 바탕으로 도시열섬의 시공간적 변동과 그 원인에 대한 연구가 미시적인 차원에서 추가적으로 진행되어 열섬현상을 효과적으로 완화시킬 수 있는 세부적인 정책이 제시될 필요가 있을 것으로 판단된다.

Acknowledgments

본 연구는 국토교통부 도시건축연구개발사업의 연구비지원(15AUDP-B102406-01)에 의해 수행되었습니다.

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