KIEAE Journal

급속한 도시 개발로 인한 인공열과 대기오염 물질로 인해 도시 온도는 주변 지역에 비해 높아짐(Kang et al., 2010)에 따라 도시는 도시 열섬 현상으로부터 많은 환경문제를 안고 있다. 도시 열섬 현상은 농경지 및 식생지역으로부터 콘크리트와 아스팔트와 같은 불투수 면적으로 대체됨에 따라 나타난다(Buyantuyev and Wu, 2010). 이러한 변화는 증발산 감소, 태양 에너지 흡수 표면적 증가, 좁은 건물 사이로 열이 빠져나가지 못하게 하는 도시 형태로부터 발생한다. 이러한 열에너지가 도시 내부에 계속적으로 남아 생태순환 과정에 악영향을 끼치며 지역 및 도시 전체의 기후 환경에 주요 동인으로 작용한다(Bonan, 2002; Wu 2008).

도시 열섬 현상을 완화하기 위해 조경가 및 도시계획가들은 녹지 확대, 수자원 면적 증가, 녹지네트워크, 바람길 조성 등 다양한 연구들을 진행하고 있다(Kim et al., 2004; Kim et al., 2011; Park et al., 2000; Cha et al., 2007). 특히, 녹지의 연결성과 녹지의 확대를 위한 연구들이 많이 진행(Yun et al., 2013; Cha et al., 2007)되었으며 이를 확인하는 수단으로 식생지수(NDVI, Normalized Difference Vegetation Index)를 이용한 도시 기온 저감 효과에 대한 연구(Liu and Zhang, 2011; Yuan and Bauer, 2007; Kim et al., 2004; Jo et al., 2009)들이 많이 진행되었다. 한편, 녹지와 달리 수자원과 도시 기온과의 연구들도 진행되었는데, Landsat 영상을 통한 호수 수질인자 추출(Kim et al., 1996), 알베도, 식생지수 및 지표면 온도를 통한 수문인자 변화 분석(Chae and Song, 1999) 등이 그것이다.

이러한 연구들은 인공위성 자료를 통한 분석이 많이 이루어졌다. 원격탐사는 넓은 지역의 시·공간정보를 쉽게 처리할 수 있으며, 비용이 저렴하고 주기적인 데이터 획득이 용이하다(Jee and Choi, 2014). 인공위성 자료의 활용은 현장 조사에 비해 누적된 자료를 활용한 다중시기 검토를 통해 현재 토지이용 상태를 쉽게 파악할 수 있다. 특히 이러한 인공위성 자료를 이용한 방법 중 Landsat TM/ETM을 이용한 연구들이 많았다(Park et al., 2008; Jee and Choi, 2014; Chae and Song, 1999).

도시열섬현상 완화를 위해 녹지와 수자원의 활용은 매우 중요한 요소임에도 불구하고 수자원 관련 연구들은 녹지 확대와 관련된 연구들에 비해 상대적으로 연구가 적었다. 도시열섬 저감을 위해서 녹지 확대 뿐만 아니라 수자원 확대를 위한 더 많은 연구들이 진행될 필요가 있다. 수자원은 녹지와 더불어 한 도시의 온도를 저감시키는데 영향을 미치고 있다(Oh and Hong, 2005). 따라서, 도시 열섬 저감을 위한 수자원의 역할 중 면적과 온도와의 관계를 다중시기를 통해 확인해 보고자 한다.

본 연구는 서울시 주요 공원 및 공공기관 내 연못과 호수의 면적변화에 따른 온도 분포의 경향성을 파악하는데 있다. 우선, 다중시기의 위성영상을 활용하여 서울시 전체 수자원 면적 변화에 따른 온도분포를 파악하고 서울시 주요 공원 및 공공기관 내의 연못 및 호수의 온도를 파악하였다. 이는 현재의 연못 및 호수가 전체 수자원 온도에 얼마나 영향을 미쳤는지를 확인하기 위함이다.

본 연구의 대상지역은 대한민국 수도인 서울시를 대상으로 하였다. 서울시는 지속적인 인구 증가와 급격한 도시 개발로 인하여 전체 면적 중 도시지역 면적 비율이 높은 도시 중 하나일 뿐만 아니라(Kim and An, 2017) 1908년부터 1917년까지 평균 10.6°인데 비하여 1998년부터 2007년까지 평균 13.0°로 세계 평균 기온 상승의 6배가 넘는 수치(National Institute of Meteorological Sciences, 2009)로 도시화로 인한 도시 열섬 현상이 가중되고 있는 도시이다.

이러한 도시화로 인한 환경 문제를 해결하기 위한 수단으로 도시환경 변화에 대한 지속적인 모니터링을 위해 서울시는 우리나라에서는 처음으로 1999년부터 5년에 한 번씩 비오톱 지도(Biotop map)를 제작하고 있다. 현재까지 4번(2000년, 2005년, 2010년 그리고 2015년) 개시되었다. 우리나라에서 비오톱 지도 제작이 가장 오래되었으며, 다중시기의 인공위성 영상 취득을 통해 도시 열섬 현상이 가중되고 있는 서울시를 대상으로 하였다.

인공위성 자료는 Landsat TM, ETM+의 영상이 사용되었다. 도시생태현황도가 2000년, 2005년, 2010년, 2015년에 나왔지만, 최종 현황조사는 발표되기 1년 전에 이루어지기 때문에 1999년, 2004년, 2009년 영상을 활용하였다. 2014년의 영상을 활용하지 못한 이유는 Landsat 영상의 6월 자료가 구름 간섭이 많아 제외하였다. 영상자료는 Table 1과 같다. 동일한 날짜에 자료를 획득하는 것은 위성궤도 및 기후 환경 등에 따른 문제로 인한 데이터 확보에 한계성을 가지고 있다. 따라서 각 영상은 6월에 찍은 영상 중 구름 상태가 10%이내에 있는 질 좋은 영상을 각 시기별로 한 개씩 이용하였다. 7월과 8월은 장마와 잦은 구름의 간섭과 Landsat ETM+의 2003년 5월 SLC(Scan Line Corrector)의 문제로 더 이상 질 좋은 위성자료를 획득하기 어렵다. 아래 Table 1과 같이 USGS에서 제공하는 사이트(http://glovis.usgs.gov/)로부터 인공위성 자료를 획득하였다. 이는 자료획득의 용이성과 자료 분석의 일관성을 위한 것으로 3시기(1999년, 2004년, 2009년)의 LST를 분석하여 서로 차이가 있는지 확인하기 위함이다.

1999년 보정된 LST 분포는 20.15℃~35.97℃이며, 2004년 보정된 LST 분포는 19.16℃~37.66℃이고, 2009년 보정된 LST 분포는 18.91℃~38.81℃였다. 각 시기별 수자원 전체 평균온도는 29.73℃(1999. 6. 30), 29.46℃(2004. 6. 3), 29.93℃(2009. 6. 1)으로 비슷한 LST를 보였으며 전체 수자원 LST는 29.72℃였다.

각 시기별 수자원 면적 변화에 따른 LST 분포는 다음의 Figure 2와 같다. 3시기 모두 L자 형태의 모습을 지니고 있었다. 이는 Oh and Hong (2005)의 연구결과에서 하천면적률과 LST와의 상관계수가 –0.5 이하로 높지 않게 나타난 것과 연관하여 해석해볼 수 있다. 즉, 서울시 지역에 한하여 면적과 온도와의 상관관계가 선형이 아니기 때문에 더 높은 상관계수를 얻기 힘들다는 것을 반증하는 결과이다. 본 연구결과에서 수자원 면적 증가에 따른 LST의 상관계수는 –0.542(p<0.01)로 Oh and Hong (2005)에 비해 약간 높은 상관계수를 보였다. 세부적으로 1999년도 자료는 –0.542 (p<0.01), 2005년도 자료는 –0.680 (p<0.01), 2009년도는 –0.628 (p<0.01)로 나타났다.

Figure. 1. 
Mean LST of water area

Figure. 2. 
LST distribution of water-area in each time

약 100,000㎡이상 지역은 서울을 가로지르는 한강 지역으로서 평균 21℃(1999년 20.89℃, 2004년 20.90℃ 그리고 2009년 20.74℃)을 보이며 그 언저리를 차지하고 있었다. 한편, 100,000㎡이하 지역은 서울시 중소 하천, 호수, 습지, 연못 등을 포함한 지역으로 약 21℃에서 39℃까지 넓게 분포하고 있었다.

100,000㎡ 면적까지는 면적의 변화에 상관없이 LST 분포가 다양하지만, 100,000㎡ 면적을 벗어나면서 LST 편차가 줄어들고 LST도 서서히 낮아져 약 20℃ 전후에서 수렴하는 경향을 알 수 있었다. 면적이 커질수록 계속적으로 LST가 낮아지지 않음을 의미한다. 약 100,000㎡ 이하 지역과 그 이상 지역을 구분하여 보면 다음의 Figure 3과 같다. Figure 3a에서 보면, 약 70,000㎡ 이후부터 전체 수자원 평균 LST(29.72℃)보다 LST가 급격히 떨어지는 모습을 볼 수 있다. 약 20,000㎡ 이하의 수자원은 약 25℃부터 39℃까지 다양하게 분포하고 있었다. 주변 환경 변수로부터 영향을 받은 LST가 실제 수면에 의한 LST보다 높기 때문에 수자원 면적이 작은 면적일수록 LST 분포 범위가 넓게 발생한 것으로 판단된다. 수자원 면적은 온도를 저감시키는 역할을 한다(Oh and Hong, 2005; Jo et al., 2009). 따라서 20,000㎡ 이하 면적의 비오톱의 실제 수면 온도는 주변 환경에 비해 낮을 수 있지만, 주변환경의 온도가 높거나 낮을 경우 해당 비오톱 LST를 왜곡할 수 있다.

Figure. 3. 
LST distribution of all temporal water-area

서울시 내에 위치한 주요 공원 및 공공기관시설의 연못 및 호수지역은 도시생태현황도에 나타난 자료를 바탕으로 총 25곳에서 37개의 연못 또는 호수를 찾았다. 각 시기별 LST는 공원의 경우 총 13곳의 20개, 역사유적지의 경우 총 3곳의 7개, 공공기관시설의 경우 총 9곳의 10개의 연못 또는 호수를 포함하였다(Table 3 참조).

공원의 LST에서 3시기를 통틀어 가장 높은 LST를 보인 곳은 문래근린공원 내 연못으로 36.30℃(2009년 자료)를 보였으며, 가장 낮은 LST를 보인 곳은 제2롯데월드 앞에 위치한 석촌호수로 24.52℃(2009년 자료)였다. 제2롯데월드 앞에 위치한 석촌호수의 면적은 73,841㎡으로 서울시 수자원 평균 LST 저감에 많은 영향을 끼친 것으로 파악된다. 문래근린공원은 주거단지가 밀집되어 있는 곳으로 1,000㎡이 넘는 지역임에도 불구하고 매우 높은 기온을 보였다. 주거지역은 공업지역과 상업지역 다음으로 높은 온도분포를 보인다(Jung et al., 2011). 건폐율과 LST와의 강한 양의 상관관계를 가지고 있어 건폐율이 높을수록 LST가 높아짐을 알 수 있다(Do et al., 2006). 또한, 식생체적이 증가할수록 그리고 건물체적이 감소할수록 그 지점의 온도는 감소한다(Jo and Ahn, 2010). 이러한 연구결과를 통해 아파트 지역으로 둘러싸인 문래근린공원의 연못은 건물체적이 높고 건폐율이 높기 때문에 상대적으로 높게 측정된 것으로 해석된다.

경복궁, 창경궁, 창덕궁 그리고 덕수궁의 연못 LST 분포에서 최대 높은 LST를 보인 곳은 덕수궁의 연못으로 33.92℃(2009년 기준)를 나타냈고 다른 궁궐 안에 있는 연못에 비해 높은 기온을 보였다. 이는 문래근린공원의 LST 해석과 마찬가지로 상업시설과 포장된 도로가 주변에 많이 분포하고 있기 때문으로 보인다. 가장 낮은 LST를 보인 곳은 창덕궁 안에 위치한 관람지로 25.73℃(2009년 자료)였다. 관람지의 면적은 1,968㎡로 다른 경회지(11,748㎡), 향원지(5,437㎡)에 비해 상대적으로 매우 작았음에도 매우 큰 폭의 LST 차이를 보였다. 그 이유는 연못 주변 지역이 모두 녹지로 둘러싸여 있기 때문으로 보인다. Kwon and Lee(2001)는 창덕궁, 창경궁 주변 도심지의 LST 분포가 궁궐 내부에 비해 주변과 약 1℃~2℃의 낮다고 하였다. 특히, 위 연구결과에 따르면, 북악산 동쪽 끝자락에 위치한 창덕궁은 안쪽에 위치한 연경당, 존덕정이 창덕궁 입구쪽에 위치한 인정전에 비해 약 1℃정도 차이를 보이기 때문에, 창덕궁 안쪽에 들어갈수록 LST가 낮게 분포하는 것을 볼 수 있다. 따라서 창덕궁 관람지는 부용지, 애련지보다 더 안쪽에 위치하여 있기 때문에 면적이 다른 연못보다 적지만 녹지가 풍부한 주변 환경의 영향으로 더 낮게 나타난 것으로 파악된다.

공공기관시설의 연못 또는 호수의 LST 분포를 보면, 최대 높은 LST를 보인 곳은 전쟁기념관 연못으로 33.68℃(2004년 기준)를 나타냈으며 2004년 수자원 평균 LST에 비해 4.22℃ 높았다. 다른 시기에서도 31.91℃(1999년 기준), 33.1℃(2009년 기준)로 나타나 각 시기를 종합한 수자원 평균 LST보다 2~3℃ 높게 나타났다. 전쟁기념관 또한 앞선 결과 해석과 마찬가지로 도로 및 주거환경이 밀집하고 있어 상대적으로 높게 나타난 것으로 보인다. 가장 낮은 LST를 보인 곳은 삼육대학교 내 위치한 제명호로 25.25℃(2009년 기준)를 나타냈으며, 2009년 수자원 평균 LST에 비해 –4.68℃ 낮았다. 2004년 조사에서도 27.02℃(-2.44℃ 차이)로 나타나 수자원 평균 LST를 낮추는데 기여하였다. 다만, 제명호는 불암산 남쪽에 위치한 곳으로 산림내부에 있기 때문에 LST가 낮게 평가된 것으로 보인다. 그 다음으로 수자원 평균 LST 저감에 기여한 곳은 건국대학교 일감호였는데, 1999년 기준으로 26.08℃(-3.65℃ 차이)을 기록했다. 2004년은 27.67℃(-1.79℃ 차이)을 나타냈으며, 28.47℃(-1.46 차이)을 나타냈다. 일감호는 석촌호수 다음으로 큰 호수로서 50,845㎡로 넓은 규모를 가지고 있다. 주변에 학교건물, 상업시설과 주거지역이 밀집해 있음에도 불구하고 전체 수자원 평균 LST(29.72℃)보다 낮아 면적이 넓은 규모의 수자원이 LST 저감에 영향을 끼친 것으로 해석된다.

동 시간에 추출된 수면의 LST가 지역마다 또는 비슷한 크기의 수면적을 가지고 있음에도 다양한 LST 차이를 보였다. 북서울 숲 공원 안에 있는 창포원(829㎡, 30.45℃[2009년 기준])과 덕수궁 내 연못(848㎡, 33.92℃[2009년 기준])은 비슷한 크기임에도 약 3.47℃의 차이를 보였다. 경희대학교 내 분수(1,417㎡, 28.76℃[2009년 기준])와 여의도샛강공원 내 오리못(1,429㎡, 30.38℃[2009년 기준])은 약 1.62℃의 차이를 보였다. 전쟁기념관 연못(7,398㎡, 33.10℃[2009년 기준])과 삼육대학교 내 제명호(7,446㎡, 25.25℃[2009년 기준])는 7.85℃로 매우 큰 차이를 보였다. 이러한 이유는 해당 장소의 주변환경 요소의 특성들(건물체적, 불투수면적, 식생피복, 식생체적 그리고 알베도 등)에 의해 차이가 난 것으로 보인다. 식생체적 10% 증가는 기온을 약 0.14% 감소시키고 건물체적 10% 증가는 기온을 약 0.26% 증가시킨다(Jo and Ahn, 2010). 공업시설, 상업시설이 높은 주변 지역은 상대적으로 높은 LST를 보인다(Do et al., 2006). 따라서 주변 환경의 물리적 구성요소(콘크리트, 아스팔트, 식물 등)에 따라 불투수표면적이 높은 곳은 수면 상승 온도를 가중시켜 높은 LST로 나타났을 가능성이 높다. 또한 비슷한 수면적을 보였다고 하더라도 주변 환경의 물리적 구성요소에 따라 온도 편차는 다양하게 나타날 수 있다. 따라서, 온도는 다양한 원인에 의하여 변화하므로 수자원 면적 변화 이외에 추가적인 변수를 도입해야 할 필요가 있다.

Table 3의 온도를 그래프로 나타내면 Figure 4와 같다. 앞선 결과와 마찬가지로 면적이 증가할수록 LST는 낮게 나타났다. 35,000㎡이 넘는 지역(석촌호수, 건국대학교 일감호, 서울 올림픽 공원의 몽촌호수)은 각 시기별 평균 수자원 LST에 비해 약 –0.27℃~-5.41℃ 낮았다. 반면, 16,000㎡을 넘지 않는 지역은 –4.68℃~6.37℃까지 LST의 온도차가 넓었다. 16,000㎡~35,000㎡의 범위에 있는 지역은 조사되지 못했다.

Figure. 4. 
LST distribution of ponds and lakes in Seoul

Figure 4의 결과를 보면 수자원 평균 LST(29.72℃)를 낮추기 위해서는 최소 16,000㎡이상은 필요할 것으로 보인다. 설명력이 낮은 이유는 16,000㎡이하의 수자원 LST 분포가 넓었기 때문으로 해석된다. 다만, 서서울호수공원이 15,774㎡로 16,000㎡에 근접하지만 평균온도에 비해 3.73℃ 높게 나타났기 때문에 서울시 지표면 온도를 낮추기 위해서는 더 넓은 수자원 면적이 필요할 것으로 사료된다. 따라서 16,000㎡이상이더라도 주변 환경에 따라 LST는 달라질 수 있음을 알 수 있다. 하지만, 추후 연구에서 각 지역의 LST의 평균값을 활용하여 비선형회귀분석을 통한 설명력 확보와 표면온도 저감을 위한 최소한의 수자원 면적, 수자원 면적 분포에 따른 표면온도 분포 모델 등을 제시할 수 있을 것으로 판단된다.