Atmosphere. Korean Meteorological Society Vol. 21, No. 3 (2011) pp. 257-271 수도권지역의도시기상특성 김연희 * 최다영 장동언국립기상연구소예보연구과 ( 접수일 : 2011 년 3 월 2 일, 수정일 : 2011 년 6 월 7 일, 게재확정일 : 2011 년 7 월 28 일 ) Characteristics of Urban Meteorology in Seoul Metropolitan Area of Korea Yeon-Hee Kim*, Da-Young Choi, and Dong-Eon Chang Forecast Research Laboratory, National Institute of Meteorological Research (Received : 2 March 2011, Resived : 7 June 2011, Accepted : 28 July 2011) Abstract The aim of this study is to examine weather modification by urbanization and human activities. The characteristics of the urban heat island (UHI) and precipitation in Seoul metropolitan area of Korea are investigated to demonstrate that cities can change or modify local and nearby weather and climate, and to confirm that cities can initiate convection, change the behavior of convective precipitation, and enhance downstream precipitation. The data used in this study are surface meteorological station data observed in Seoul and its nearby 5 cities for the period of 1960 to 2009, and 162 Automatic Weather System stations data observed in the Seoul metropolitan area from 1998 to 2009. Air temperature and precipitation amount tend to increase with time, and relative humidity decreases because of urbanization. Similar to previous studies for other cities, the average maximum UHI is weakest in summer and is strong in autumn and winter, and the maximum UHI intensity is more frequently observed in the nighttime than in the daytime, decreases with increasing wind speed, and is enhanced for clear skies. Relatively warm regions extend in the east-west direction and relatively cold regions are located near the northern and southern mountains inside Seoul. The satellite cities in the outskirts of Seoul have been rapidly built up in recent years, thus exhibiting increases in near-surface air temperature. The yearly precipitation amount during the last 50 years is increased with time but rainy days are decreased. The heavy rainfall events of more than 20 mm hr 1 increases with time. The substantial changes observed in precipitation in Seoul seem to be linked with the accelerated increase in the urban sprawl in recent decades which in turn has induced an intensification of the UHI effect and enhanced downstream precipitation. We also found that the frequency of intense rain showers has increased in Seoul metropolitan area. Key words: urban meteorology, urban heat island, urban-induced precipitation, heavy rainfall, Seoul metropolitan area 1. 서론 같은종관기상조건일지라도도시화된지역의날씨 Corresponding Author: Yeon-Hee Kim, Forecast Research Laboratory, National Institute of Meteorological Research, KMA, 45 Gisangcheong-gil, Dongjak-gu, Seoul, 156-720, Korea Phone : +82-70-7850-6604, Fax : +82-2-834-5922 E-mail : yeonheekim@korea.kr 는주변비도시지역과는다르다. 도시지역의날씨는에너지수지, 공기의구성과흐름, 지표면의거칠기등과같은국지적인자의영향을주로받으며, 이러한인자들은도시특유의기후를유발한다. 도시지역과비도시지역사이의기온, 풍속, 습도, 강수, 지표에너지플럭스, 경계층높이등의차이를설명하기위한많은연구들이수행되어왔다 (Olfe and Lee, 1971; Garstang et al., 257
258 수도권지역의도시기상특성 1975; Landsberg, 1981; Oke, 1982, 1987; Lin and Smith, 1986; Draxler, 1986; Baik et al., 2001; Shepherd et al., 2002; Kim and Baik, 2005; Kim et al., 2008). 일반적으로대도시에서는인근의교외지역에비해평균적으로일사량 15~20%, 조도 10~40%, 상대습도 2~6%, 풍속 20~25% 가감소되는반면, 기온은 2~10 o C 높고, 오염물질은 5~25 배많으며안개일수는 30~100% 증가하고, 강수및구름의양은 10% 정도증가하는것으로알려져있다 (e.g., Oke, 1973; Landsberg, 1981; Cotton and Pielke, 1995; Deosthali, 2000; Shepherd et al., 2002; 주현수등, 2006). 도시열섬강도는일반적으로도시와주변교외지역간의지표근처기온차이로정의된다. 국지규모의날씨조건, 계절, 시간, 도시크기와지형학적위치, 토지이용도, 인공열과같은많은요인들이도시열섬강도에영향을미친다. 최대도시열섬강도는맑고바람없는날의야간에나타나고일변화와계절변화를보인다고알려져있다 (e.g., Cho et al., 1988; Yague et al., 1991; Jauregui, 1997; Montavez et al., 2000; Kim and Baik, 2002). 도시열섬강도는도시의크기를대표할수있는인구가증가함에따라커지고 (Oke, 1973; Park, 1986), 토지이용에따른인공열이상대적으로큰겨울에더강하며 (Ichinose and Hanaki, 1999), 도시내부와주변에수괴나지형에큰영향을받는다 (Gallo and Owen, 1999; Deosthali, 2000; Kim and Baik, 2004; Kim et al., 2008). 부경온과오성남 (2000) 은 1999 년의 4 개월동안의자동기상관측망 (AWS: Automatic weather stations) 자료를이용하여서울의도시열섬을분석하였고도시의중심과건물이밀집된지역에서온난지역이나타나기온분포는토지이용형태및지형과관련이있음을보였다. Kim and Baik(2005) 은부경온과오성남 (2000) 의연구를확대하여 2001 년 3 월부터 2002 년 2 월까지의자료를이용하여서울의도시열섬의시 공간적변화특성을조사하였고서울도시열섬에서주중과주말의차이가있음을밝혔다. 구해정등 (2007) 은 2006 년 3 월부터 2007 년 2 월까지의자료를이용하여도시열섬구조특성을과거와비교하였고토지이용의변화와기상학적인자와의관련성을분석한바있다. 그러나선행연구들에서는주로한지점의관측자료가도시의날씨를대표할수있다고가정하였거나, 여러지점의관측자료를분석하더라도일년이하의짧은기간을고려하여도시화에의한날씨변화를명확히증명하기에는한계가있었다. 도시강수증가현상은장기간의관측자료를이용한기후변화특성분석및수치모형의이용 (Vukovich et al., 1979; Hjelmfelt, 1982), 일강수강도특성변화분석 (Changnon et al., 1976), 그리고여러풍향조건에서풍상측과풍하측의강우분석등여러가지방법을 통해서증명되었다. 도시효과가여름철도시의풍하지역에강수도증가시킴을보인바있다 (Landsberg, 1970; Changnon, 1968; Huff and Changnon, 1972; Sanderson and Gorski, 1978). 김연희등 (2005) 은종관적으로맑았던여름철의국지적강우사례를분석하여도시열섬에의해생성된상승류가종관풍에의해이류되어도시열섬의풍하측에강수를유발함을보였다. 그러나장기간의서울의연평균강수량이증가하고강수일수가감소하는특징이우리나라전체강수패턴의변화에기인한것인지지형이나도시화효과에기인한것인지를판단할수는없었다. Chandler(1965) 는도시화에의한강수증가에영향을미치는주요인자는지표거칠기증가에의한기계적난류의증가, 도시지역에서생성된난기류에의한현열의증가, 그리고도시공기중에부유하는인공방출물질에의한응결핵의증가라고설명하였다. 도시지역에서의자연적상태의지표피복은여러가지열성 ( 열용량과열관성등 ) 을가지는인공지표로대체된다. 그러한지표는더많은양의태양에너지를흡수하여현열로변화시키며알베도에변화를주게되고, 도시열섬의생성으로인해경계층내의운동역학이변화된다. 즉, 도시열섬강도가강하면풍속이약하고, 온위는높고, 비습은높은상태이므로국지적강우의형성이빨리일어나고집중호우가있게된다 (Baik et al., 2001; Kim, 2003). Back et al. (2001) 은수치적으로도강우가형성되는거리가도심에서 10~50 km 이내에존재하고 6 시간이내에소멸하는단기집중적강우가형성된다고밝혔다. 그러나지금까지의연구중에서위와같이세밀한공간분해능을가진장기간의관측자료를이용하여수도권지역에서의도시화에의한강우특성변화와도시내에서의시 공간적강우특징은아직충분하게조사되고검증되지않았다. 또한강우패턴의변화가기후변화에의한것인지도시화에의한것인지구별하기위해서는공간적분포차이에관한분석이필요할것응로생각된다. 우리나라의수도서울은남한면적의 0.6% 에불과하나남한지역전체인구 (2010 년 9 월 30 일기준 50,001,273 명 ) 의 20% 에해당하는인구 (10,186,556 명 ) 를가진세계에서가장인구밀도가높은도시중의하나이다. 특히서울을핵으로하는수도권집중형의도시화로인하여전국인구대비수도권인구의비율이 2010 년에전국인구의거의절반 (49%) 을차지하였다. 이처럼수도권지역의거대도시권형성에따른도시화가날씨변화를유발하여도시특유의기후를형성하였을것으로예상되며이에대한분석이필요하다. 그러므로본연구에서는수도권지역의도시화에따른기상변화특성을조사하여장기간주요기상요소에나타난도시화효과를정량화하였고, 도시화에따른날씨변화경향을분석하였다. 한국기상학회대기제 21 권 3 호 (2011)
김연희 최다영 장동언 259 2. 자료및방법 Fig. 1 은수도권지역의기상관측소와 AWS 의위치와지형을보여준다. 본연구에사용된자료는 1960 년부터 2009 년까지의 50 년간서울, 인천, 수원, 양평, 이천, 강화의수도권내 6 개관측소의기온, 상대습도, 풍속, 강수량, 강수일수관측자료이다. 동두천과문산관측소는최근에설립되어장기간의관측자료를보유하지않아본연구에서는고려하지않았다. 수도권에서의도시열섬과강수량의시 공간적분포특성을조사하기위하여 1998 년부터 2009 년까지 162 개 AWS 관측망에서측정된 1 시간간격지표기온과강수량자료를사용하였다. 수도권정비계획법 (1997.1.7) 제 2 조와대통령령에서 수도권 이라함은서울특별시와그주변지역인인천광역시및경기도일원지역을말한다고규정하고있어본연구에서의수도권의공간범위를 Fig. 1 과같이정하였다. 수도권내에관측소는 8 개이고, 서울은 25 개구로나뉘며그중 28 개 AWS 는서울경계지역안에위치하며 166 개 AWS 는서울을제외한지역에위치하여수도권에는총 194 개의 AWS 가존재한다. 본연구에서는 3 년이상관측이수행된지점의자료를사용하여 162 개 AWS 지점의자료만을고려하였다. 서울의지형은동서로대체적으로평탄하며북쪽에는해발 837 m 의북한산이, 남쪽에는 632 m 의관악산이위치한다. 수도권의지형은동쪽의고도가높고서쪽의고도가해안에가까워질수록낮아지는동고서저의형태를보여, 북쪽동두천에는해발 587 m 의소요산, 북동쪽가평군에는해발 1,267 m 의명지산, 동쪽 양평군에해발 1,157 m 의용문산, 남동쪽에해발 606 m 의남한산과남서쪽에해발 489 m 의수리산이위치한다. Fig. 2 는 6 개관측소에서의 50 년간연평균기온의시계열을보여준다. 1980 년대이후로모든시계열에서통계적으로유의하게증가하는경향을보이고비슷한경년변화가나타났다. 서울지역의기온이높고이천과강화지역의기온이낮은경향을보인다. 도시효과에부가하여지구온난화에의한기후변화에따라기온이상승하므로도시화가날씨변화에미치는영향을살펴보기위해서는기후변화의효과를제거하여야한다. 이를위하여도시와교외지역간의기상요소의차이를고려하는방법을이용하여기후변화의영향을제거하였다 (Kim and Baik, 2002). 50 년평균기온이가장높았던서울을도시지역으로간주하였고, 평균기온이가장낮았던강화지역은해양과근접해있고위도가서울에비해높아교외지역으로적당하지않아평균기온이두번째로낮았던양평을교외지역으로선택하였다. 서울관측소의위도와해발고도 (37 o 34 N, 86 m) 는양평관측소 (37 o 29 N, 49 m) 와아주유사하고평균기온차이도 1 o C 로큰편이다. 그러나 1990 년대중반이후양평의기온이빠르게증가한것으로미루어보아양평지역에서의도시화영향도배제될수없을것으로사료되며, 이로인해분석의불확실성이존재할수있음을밝혀둔다. 일최대도시열섬강도는관측시간별서울과양평의기온차이중일최대기온차이를의미한다. 3. 결과 3.1. 도시화에따른기상요소의변화특성수도권 6 개지역에서 50 년간연평균기온과 1970 년 Fig. 1. The topography and the location of 162 AWSs and 8 Surface meteorological observatories in Seoul metropolitan area. Topography is shaded with linear altitude scales of 100 m. The red points represent the location of surface meteorological observatories and the green points represent the location of AWSs. Fig. 2. The time series of annual average temperature at Seoul, Incheon, Suwon, Ganghwa, Yangpyong, and Icheon observatories from 1960 to 2009. Atmosphere, Vol. 21, No. 3. (2011)
260 수도권지역의도시기상특성 대 (1970~1979) 평균기온과 2000 년대 (2000~2009) 평균기온과의차이를살펴보았다 (Table 1). 연평균기온은서울이 12.2 o C 로가장높았고인천 (11.8 o C), 수원 (11.6 o C), 이천 (11.4 o C), 양평 (11.1 o C), 강화 (11.0 o C) 순으로나타났다. 서울의 1960 년대평균기온이 11.7 o C 이었고 2000 년대평균기온이 12.9 o C 로지난 50 년간 1.2 가증가하였다. 기상청에서발간한 기후변화이해하기 에따르면지난 100 년간 (1908~2007) 서울의기온은 2.4 o C 증가하는경향을보인다고하였다. 2000 년대와 1970 년대기온차이는모든지역에서양의값을보이므로지난 40 년간모든지역의평균기온이증가하였다. 지역별 2000 년대와 1970 년대의기온차이는인천과수원이가장크게나타났고이천과강화가작았다. 모든지역에서의평균기온의상승경향은기후변화의영향을지배적으로받았을것으로짐작이되나, 그상승률이지역별로상이한것으로미루어보아다른인자에의한영향도존재함을알수있다. 이러한지역별기온의차이를유발하는인자는각지역의도시화의정도 ( 도시의크기, 인구, 토지이용도등 ), 지형, 지리적위치등다양할것으로사료된다. Fig. 3 은서울지역에대한주변지역의 1973 년부터 2009 년까지의연평균기온비의경년변화를보여준다. 연평균기온비가항상 1 이상으로서울의기온은인천, 수원, 강화, 양평, 이천에비해각각 4%, 5%, 13%, 12%, 9% 높다. 이러한기온차이는지역적종관날씨, 도시의크기, 인구밀도, 도시의구조, 토지이용형태, 지리적위치, 지형등수많은인자들에따라다르게나타날수있다. 일단도시크기를대표할수있는인구수 (P) 를이용하여, 지역별기온차이를얼마나설명할수있는지살펴보았다. Oke(1973) 에따르면맑고바람없는이상적인날씨조건에서최대도시열섬강도는 log P 와비례한다고하였다. 우리나라의통계연보로부터 1992 년부터 2009 년까지지역별연평균인구수를계산해보면서울의인구수는인천, 수원, 강화, 양평, 이천의각각약 4 배, 11 배, 152 배, 125 배, 58 배로인구수가도시열섬강도와의로그함수관계는만족하지않으나, 각지역별기온비의차이가인천, 수원, 이천, 양평, 강화순으로증가하고인구수비는인천, 수원, 이천, 양평, 강화순으로커져각지역의평균기온은도시크기를나타내는인구수와다소연관이있음을알수있다. 그러나선형회귀에의한각지역대비 37 년간서울의기온변화율 Fig. 3. The time series of the annual average of temperature ratio between Seoul and its 5 nearby observatories from 1973 to 2009. In each figure, the linear regression line is drawn and the average value and the slope of temperature ratio over 37-year period are shown in parenthesis. 은인천, 수원, 양평에비해작고강화와이천에비해커서, 그원인을도시화에국한하여설명하는데는한계가있다. Fig. 4 는서울지역에대한주변지역의연평균강수량비의경년변화를보여준다. 1973 년부터 2009 년까지의 37 년간서울의연평균강수량은 1,369 mm, 인천은 1,167 mm 로그비는 1.2 정도로거의일정하게유지되었다. 다른지역의경우에도연평균강수량비의 37 년평균이 1 이상으로서울의평균강수량은인천, 수원, 강화, 양평, 이천에비해각각 17%, 8%, 5%, 2%, 3% 정도많다. 서울에비해인천의강수량이가장적고양평의강수량이가장많다. 인천이비슷한위도지역 ( 서울, 양평 ) 에비해기후적으로강수량이적은편이라할지라도양평의 37 년평균강수량비가서울과거의 Table 1. The annual average temperature at Seoul, Incheon, Suwon, Ganghwa, Yangpyong, and Icheon observatories for 50 years and the difference of annual average temperature between 1970s and 2000s. Seoul Incheon Suwon Icheon Yangpyong Ganghwa annual average temperature (50 years) 12.2 11.8 11.6 11.4 11.1 11.0 difference of temperature (00 s-70 s) 1.0 1.3 1.3 0.3 1.0 0.5 한국기상학회대기제 21 권 3 호 (2011)
김연희 최다영 장동언 261 각지역별 2000 년대 (2000~2009) 와 1980 년대 (1980~ 1989) 사이의강수량과강수일수의차이를살펴보면 (Fig. 5) 평균기온이높았던서울, 인천, 수원에서높은강수량과강수일수증가함을보였다. 그러나연평균기온이두번째로낮았던양평지역에서가장높은강수량과강수일수증가를보였다. Fig. 5(c) 의태풍일수를제외한경우의강수일수차이를살펴보면서울과서울의 Fig. 4. The time series of the annual average of precipitation amount ratio between Seoul and 5 observatories from 1973 to 2009. In each figure, the linear regression line is drawn and the average value and the slope of precipitation amount ratio over 37-year period are shown in parenthesis. 같다는것은주목할만하다. 추세선으로부터연평균강수량비의경년변화를살펴보면인천과수원의경우에는 1973 년부터그비가항상 1 이상으로서울의강수량이인천과수원보다는높았다. 양평, 강화, 이천의경우에는연평균강수량비의값이각지점마다시점은다르지만 1980 년대초중반경에 1 이상으로바뀌어서울의강수량이이들지점들보다많아졌다. 또한, 서울과의기온차가강화, 양평, 이천이컸다하더라도, 양평의 37 년간강수량비증가율은강화와이천에비해현저히작다. 즉, 서울과비슷한위도에위치한인천과양평, 기온차가크게나타났던강화, 양평, 이천과비교해보면, 인천에비해양평은서울과거의동등한강수량을보이고, 강화와이천에비해서울과 37 년간약 100 mm 의아주작은강수량차이만을보여양평에서의분명한강수량증가를알수있다. 이는같은종관풍의영향을받는비슷한위도의지역과도다르고지역적위치가내륙에위치하는지역과도다르며교외로간주되는지역과도달라, 미국세인트루이스와라포트지역등에서의관측실험에서나타난도시풍하측강수증가현상 (La Porte anomaly) 일가능성에대한조사가필요하다 (e.g., Changnon, 1968, Huff and Changnon, 1972). Fig. 5. The difference distribution of (a) precipitation amount and (b) number of precipitation days included with typhoon days, (c) number of precipitation days excluded with typhoon days at SL (Seoul), Inch (Incheon), SW (Suwon), GH (Ganghwa), YP (Yangpyong) and Ich (Icheon) between 1980s and 2000s. The urban areas are Seoul, Incheon, and Suwon. The rural areas are Ganghwa, Yangpyong, and Icheon. Atmosphere, Vol. 21, No. 3. (2011)
262 수도권지역의도시기상특성 동쪽에위치한양평에서만강수일수가증가하여태풍일수가포함된강우일수차이와는다르다. 즉, 서울과양평에서의높은강수량과강수일수증가현상은도시열섬에의해생성된상승류가강수를유발하고종관풍에의해이류되어도시의풍하측에위치한지역에강수를유발하고증가시켰을것으로사료된다. 이처럼서울과수도권에서의강수특성이위도, 종관풍, 지역적위치, 도시크기등에따라다르게나타났으므로보다세밀한시 공간분해능을가진관측자료를이용하여도시권내에서의국지지역별강수특징에대해보다살펴볼필요가있다. Fig. 6 은서울지역에대한주변지역의연평균상대습도비의경년변화를보여준다. 37 년평균상대습도비가지역별로큰차이를보이지않고 1 이하의평균값을보여서울의상대습도가다른지역에비해낮다. 이처럼도시건조화는도시포장률증가로식생에의한증발산량감소와도시기온의증가에따른포화수증기압증가때문으로추정된다. 추세선으로부터연평균상대습도비의경년변화를살펴보면수원을제외하고모든지역에서감소하는경향을보인다. 수원의경우에는상대습도비가다소증가하는경향을보여수원에서의상대습도감소경향이서울보다더컸다. Fig. 3 에서기온비의감소경향을보였던인천, 수원, 양평중수원에서의기온비의감소비율이가장커기온의증가폭이가장컸었던점을감안할때, 기온증가에따른포화수증기압의증가가상대습도의감소를유발한것으로사료된다. 3.2. 도시열섬의시 공간적변화특성 Fig. 7 은수도권지역에서연평균최대도시열섬강도의시계열을보여준다. 서울도시열섬강도는통계적으로유의하게전반적으로는감소하는경향을보이고 (37 년간 0.4 o C 감소 ) 연평균도시열섬강도는 3.2 o C 이다. Kim and Baik(2002) 의연구에서조사된 1973 년부터 1996 년까지 24 년간의서울의최대도시열섬강도가평균 3.4 o C 이었고증가하는경향을보인것을고려하면, 1996 년이후 14 년간의도시열섬강도가줄어드는경향이반영되어 37 년간도시열섬강도의미세한감소추세를보이는것으로생각된다. Fig. 7 에서도최근 15 년간 (1995~2009) 평균최대도시열섬강도가감소하는경향을보이는데이는 90 년대초중반부터시작된서울특별시의인구분산정책, 도시녹화사업 ( 가로수 숲조성, 건물옥상녹화 ), 바람길조성, 친환경적도시계획등을통해인위적기온상승을약화시켰고그로인해도시열섬완화효과가나타난것으로보인다 (Kim et al., 2008). Fig. 8 은계절별로평균된도시열섬강도의시계열로그강도는가을 (4.1 o C), 겨울 (3.9 o C), 봄 (3.1 o C), 여름 (2 o C) 순으로나타났다. 여름의도시열섬강도는다른계절에비해낮더라도그변화경향은점차증가하는추세를보이며통 Fig. 6. The time series of the annual average of relative humidity ratio between Seoul and 5 observatories from 1973 to 2009. In each figure, the linear regression line is drawn and the average value and the slope of relative humidity ratio over 37-year period are shown in parenthesis. Fig. 7. The time series of the annually averaged maximum temperature deviation between Seoul and Yangpyong observatories from 1973 to 2009. The linear regression lines are drawn and the averages and the slopes of annual daily maximum UHI intensity over 24-year and 14-year periods are shown in parenthesis. 한국기상학회대기제 21 권 3 호 (2011)
김연희 최다영 장동언 263 열용량의 효과 때문이다. 최대 도시 열섬 강도는 맑고 바람 없는 날의 야간에 잘 나타난다고 알려져 있는데, 서울에서의 도시 열섬 강 도와 기상 요소와의 관계를 조사하기 위하여 일 최대 도 시 열섬 강도가 나타났을 때의 풍속, 상대습도, 운량의 빈도 분포를 살펴보았다(Fig. 10). 풍속이 0.5 m s 1 보 다 클 때 최대 도시 열섬 강도는 풍속이 증가함에 따라 감소한다. 풍속이 매우 강할 때에는 두 지점 간의 기온 차이는 사라지는데, 일 최대 도시 열섬 강도가 0.3oC 보 다 작을 때 도시 열섬이 존재하지 않는다고 가정하면 도 Fig. 8. The time series of the seasonally averaged maximum temperature deviation between Seoul and Yangpyong observatories from 1973 to 2009. For each season, the linear regression line is drawn and the average and slope of seasonal daily maximum UHI intensity over 37-year period are shown in parenthesis. 계적으로 유의하다. 고온다습하여 열역학적으로 대류가 발생하기 가장 좋은 여름에 도시화가 더욱 가중된다 면 국지 돌발성 강우가 유발될 가능성이 높아질 것이 다(e.g., Balling and Brazel, 1987; Sato and Takahashi, 2000; Kanda et al., 2000). Fig. 9는 일 최대 도시 열섬 강도가 발생하는 시간의 빈도 분포를 보여준다. 일 최 대 도시 열섬 강도는 새벽과 밤 시간에 우세하게 나 타나 그 빈도가 낮 시간대(09, 15LST)보다 3.3배 더 많 고 도시 열섬 강도는 낮(2oC)보다 밤(3oC)에 더 강하다. 이는 교외 지역의 야간 복사 냉각과 도시 지역의 큰 Fig. 9. The histogram of the frequency distribution of the maximum temperature deviation between Seoul and Yangpyong observatories as a function of time of day. Fig. 10. The frequency distribution of the maximum temperature deviation between Seoul and Yangpyong observatories as a function of wind speed, relative humidity, and cloudiness. Atmosphere, Vol. 21, No. 3. (2011)
264 수도권지역의도시기상특성 시열섬현상이나타나지않는임계풍속은약 7.4 m s 1 이다. 상대습도의경우전체자료의 82% 가 40~90% 의상대습도범위에존재하여최대도시열섬강도와상대습도는특별한관계를찾아보기힘들다. 그러나 Fig. 6 에서언급되었듯이서울의상대습도가다른지역에비해서항상작았고, Kim and Baik(2002) 의연구에서도도시열섬강도와상대습도와의음의상관관계를보인것을고려해보면도시화로인한기온상승이상대습도를낮추는경향이있음은분명하다. 운량의경우운량이 0 과 10 일때최대도시열섬강도가나타난비율은각각 37% 와 20% 이다. 운량의관측은현재까지목측에의해수행되고비가오거나눈이오거나안개가낀경우운량을 10 으로간주된다. 즉운량이 10 인빈도는도시열섬현상의발생과무관하게나타날가능성이크다. 또한운량이 0 과 10 일때최대도시열섬강도의최빈값은 4.5 o C 와 1.0 o C 으로수도권에서의도시열섬현상은흐리거나, 비가오거나, 안개가있을때에도발생하나이때의최대도시열섬강도는맑을때보다훨씬작다. 서울과수도권지역의 AWS 에서관측된기온을살펴보면도시열섬의공간적특성을조사할수있다. Fig. 11 은서울과수도권에서의 1998 년부터 2009 년까지연평균기온의분포를보여준다. 공간적으로 162 개 AWS 지점평균되고시간적으로 12 년평균된서울과수도권지역의기온은약 12.7 o C 이다. 서울도심의동서방향으로상대적으로고온지역이존재한다. 영등포, 여의도, 용산등의서쪽중심으로고온지역, 강북, 서초, 송파, 동대문등을중심으로동북쪽지역에서넓은고온지역이존재한다. 고층빌딩과인구가밀집된지역과택지개발및주거지역조성증가에따라이들지역에서의인공열증가에기인한것으로사료된다. 서울주 변으로는수원, 오산, 시흥, 군포, 의왕, 인천, 구리지점의기온이높다 (12.2 o C 이상 ). 이러한서울과수도권지역의기온분포는사공호상 (2004) 의위성영상과 GIS 를이용한수도권도시화지역확산특성연구에서밝힌 2000 년의수도권성장형태인쇄기모양의성형구조 (star-shaped pattern) 와잘부합되어 (Fig. 12), 수도권에서서울주변에작은도시들이집중적으로생겨남으로써하나의거대도시권이형성되었음을보여준다. 3.3. 강수의시 공간적변화특성 Fig. 11. The distribution of the annually averaged air temperature in Seoul metropolitan area from 1998 to 2009. The contour interval is 0.2 with shading being above 12.2. Fig. 12. The study area of Sakong (2004) with shading (top), classification of landuse (center) and growth pattern of urbanization (bottom) in Seoul metropolitan area for 2000 (Courtesy of Ho-Sang Sakong). 한국기상학회대기제 21 권 3 호 (2011)
김연희 최다영 장동언 265 수도권 6개지역의 1980년대와 2000년대사이의강수량과강수일수차이를살펴보았을때서울, 인천, 수원등도시지역에서강수량의증가를보였고, 강화와이천의경우큰변화가없었으며, 서울의동쪽에위치한양평에서의강수량과강수일수의특징적인증가를상기해볼때 (Fig. 5), 서울과수도권에서의강수량과강수일수변화특성을보다면밀히알아볼필요가있다. Fig. 13은 1960년부터 2009년까지서울의연평균강수량과강수일수의변화를보여준다. 50년간의서울의연평균강수량과강수일수는약 1,401 mm와 109일이다. 분석기간동안강수일수는감소하고강수량은증가하는경향을보인다. 즉강수일별강수량이증가하여강우강도가커졌음을의미한다. Fig. 14는 1973년부터 2009년까지태풍일수를제외한경우서울과양평의 0.1 mm day 1 이상일때와 50 mm day 1 이상일때의강수량의경년변화를보여준 다. 보통일강수량이 100 mm 를초과하면집중호우라고분류한다. 이는서울의경우 50 년간하루동안에연간강수량의약 7% 를초과한경우로연평균 1.6 일 ( 연 0.4% 발생 ) 정도로그사례가드물다. 일강수량이 50 mm 이상인경우는연평균 6.6 일 ( 연 1.8% 발생 ) 하여일강수량이 100 mm 이상의경우보다 4 배많은 329 회였다. 그러므로보다많은사례를고려함으로써통계적유의성을확보하고강수변화특성을보다객관적으로조사하고자본연구에서는일강수량이 50 mm 이상인경우를집중호우로간주하여수도권의강수특성을살펴보았다. 37 년연평균강수량은 0.1 mm day 1 이상일때서울이더많았으나 50 mm day 1 이상일때양평이더많았다. 일강수량이 0.1 mm 와 50 mm 이상일때서울과양평모두뚜렷한강수량의증가경향을보이고서울에서의강수량증가율이양평보다더크다. 서울에서는 50 mm day 1 이상일때의강수량증가율이 0.1 mm day 1 이상일때의증가율과거의비슷한반면, 양평에서는 50 mm day 1 이상일때의강수량증가율이 0.1 mm day 1 이상일때의증가율보다 1.2 배더커집중호우성강수의강도가증가하였다. Fig. 15 는 1973 년부터 2009 년까지태풍일수를제외한경우서울과양평의 0.1 mm day 1 이상일때와집중호우로간주될수있는 50 mm day 1 이상일때의강수일수의경년변화를보여 Fig. 13. The time series of the annually averaged precipitation amount and the annually averaged number of precipitation days in Seoul from 1960 to 2009. In each figure, the linear regression line is drawn and the average and the slope of annually averaged precipitation amount and annually averaged number of precipitation days over 50-year period are shown in parenthesis. Fig. 14. The time series of the annually averaged precipitation amount in Seoul (left) and Yangpyong (right) excluded with typhoon days from 1973 to 2009, when rainfall intensity is more than 0.1 mm day 1 (top) and 50 mm day 1 (bottom). In each figure, the linear regression line is drawn and the average and the slope of annually averaged precipitation amount excluded with typhoon days over 37- year period are shown in parenthesis. Atmosphere, Vol. 21, No. 3. (2011)
266 수도권지역의도시기상특성 준다. 37 년평균연평균강수일수도평균강수량과같이 0.1 mm day 1 이상일때서울이더많았고, 50 mm day 1 이상일때양평이더많았다. 서울에서의 0.1 mm day 1 이상일때강수일수의변화추세는거의일정하여 50 mm day 1 이상일때의강수일수는증가하는경향을보여 0.1 mm day 1 이상일때의강수일수증가율의약 6 배이다. 양평의경우강수일수는 0.1 mm day 1 이상일때감소하는경향을보이고 50 mm day 1 이상일때는증가하는경향을보인다. 즉, 서울과양평에서일강수량이 50 mm 이상일때의강수량과강수일수는증가하는경향을보여집중호우성강수의강도와빈도가커졌다. 특히서울보다양평에서의집중호우성강수의양과일수가더많음은도시의풍하측에서의강수증가현상을증명한다고볼수있다. 집중호우성강수의강도와빈도의증가를자세히살펴보기위하여 1961 년부터 2009 년까지의서울에서 30 mm hr 1 이상 ( 한국기상청집중호우기준 ) 의강수량이관측된날의종관상태를정리해보았다 (Table 2). 총 143 건으로태풍의영향을제외하고는많은경우가여름철에전선의통과또는접근에의해발생하였다. 59 년간총 143 건의집중호우사례는일년에평균적으로약 2.4 일정도 (0.6%) 로도시에서의강한강수의특성을조사하기위해서는보다많은사례를고려하여분석의객관성을높일필요가있다. 또한미국, 멕시코, 일본등많은다른나라에서도 20 mm hr 1 이상일때를집중호우로분류하므로본연구에서도 20 mm hr 1 이상인경우를강한강수 ( 집중호우 ) 로가정하여서울과수도권강수의시 공간적특성을분석하였다. Fig. 16 은 1961 년부터 2009 년까지서울에서태풍일 Table 2. The classified synoptic patterns for heavy rainfall events (rainfall intensity > = 30 mm hr 1 ) in Seoul from 1961 to 2009. synoptic patterns cases typhoon 6 typhoon + stationary front 2 typhoon + cold front 4 a lot of water vapor by typoon extinction + low pressure (northeast or west) 1 tropical depression + stationary front 1 stationary front 49 cold front 23 cold front + front 7 warm front + front 4 low pressure (northeast or west) 18 front 15 front + low pressure (northeast or west) 5 cold front + low pressure (northeast or west) 7 occluded front 1 total 143 수를제외한경우의강우강도가 20 mm hr 1 이상일때의연대별빈도수 ( 일수 ) 를보여준다. 1960 년대이후로 20 mm hr 1 이상인강수일수가꾸준히증가하여 1960 년대보다 2000 년대의집중호우빈도수가약 9.2 배이다. Fig. 17 은 1998 년부터 2009 년까지의서울과그주변 AWS 관측지점의연평균강수량의공간분포를보여준다. 빨간색삼각형은지점별연평균강수량이 1,400 mm 이상인곳을나타낸다. Fig. 17 에나타난지점들에대해평균된연평균강수량과강수일수는약 1,370 mm 와 Fig. 15. The same as Fig. 14 except for annually averaged number of precipitation days. Fig. 16. The frequency of heavy rainfall (rainfall intensity >=20mm hr 1 ) except typhoon days in Seoul from 1961 to 2009. 한국기상학회대기제 21 권 3 호 (2011)
김연희 최다영 장동언 88일으로, 서울 관측소의 연평균 강수량(1,387 mm)과 강수일수(90일)와 큰 차이를 보이지는 않는다. 연평균 강수량이 높은 지역을 나타내는 빨간 삼각형과 강수 일수가 90일 이상인 분홍색과 보라색의 동그라미 표시 가 서울의 북동쪽에 집중되어 있다. 즉 서울의 북동쪽 지역에서의 강수량과 강수일수가 높게 나타나 지역적 으로 다른 분포 특징을 보인다. 강수량의 지역적 차이는 최대 1.6배[강동(1,768 mm) vs 소하(1086 mm)]로 강수량 이 많은 지역은 강동(1,768 mm), 남양주(1,676 mm), 의정 부(1,646 mm), 도봉(1,593 mm), 강북(1,536 mm), 성북 (1,481 mm), 동대문(1,475 mm), 신곡(1,441 mm), 노원 (1,439 mm), 마포(1,430 mm) 등이다. 서울 경계 안에서는 도봉, 강북, 강동 지역을 중심으로 강수량이 많다. 강수 일수의 지역적 차이는 최대 1.3배[북한산(97일) vs 소하 (74일)]로 강수일수가 많은 지역은 북한산(97일), 남양주 (93일), 의정부(93일), 광릉(93일), 노원(92일), 도봉(91일) 등 이다. 서울, 관악, 동작, 서대문, 구로, 중구의 강수일 수는 90일 이였다. 강수량이 많았던 강동(88일), 강북, 성북, 동대문, 마포의 강수일수는 다른 지점과 평년에 비 해 작았는데, 이 지점들은 서울 경계 안에 위치한 지점으 로 도시 열섬 강도가 크게 나타났던 지역이다. 즉, 도시 에 의한 현열속(열적 효과)과 거칠기의 증가(기계적 효 과)에 의해 생성된 상승류가 종관흐름에 의해 풍하측으 로 이동되므로 도시 열섬 수렴대와 풍하측에서 대류 성 강수량이 증가되고, 강수일수는 풍하측 이류 효과에 의해 도시의 풍하측인 서울의 북동쪽 외곽에서 더 많은 것으로 사료된다. 또한 많은 강수일수를 보였던 북한산 과 광릉 지점의 연평균 강수량은 1,358 mm와 1,369 mm 로 평년보다 작았다. Baik et al.(2001)은 열역학적 강 Fig. 17. The distribution of annually averaged precipitation amount and number of precipitation days for 0.1 mm hr 1 or more in Seoul and its surrounding areas from 1998 to 2009, The red open triangles indicate sites over the precipitation amount of 1400 mm. 267 제력으로 인해 유발된 대류의 강도는 평균류가 약하고 강제력이 강할수록 커진다고 밝혔는데, 이 두 지점의 해 발고도는 460 m와 104 m로 열적으로 유발된 강수세포의 강도가 지형의 영향을 극복할 수 있을 만큼 잘 발달되 지 않아 강수 세포가 지형에 의해 갈라지거나 소멸되어 다른 지점에 비해 강우 횟수는 많았으나 강수량이 적 었던 것으로 보인다(Bornstein and LeRoy, 1990; Bornstein and Lin, 2000). 향후 보다 면밀한 지점별 지형 효과 및 도시화 효과에 대한 그 특성 분석이 필요하다. 집중호우로 분류되는 20 mm hr 1 이상일 때의 연평균 강수량과 강수일수는 고온 지역(영등포, 마포구)과 풍 하측 지역에서 높게 나타나 도시 열섬이 유발한 강수 특성을 보인다(Fig. 18). 빨간 삼각형은 강수강도가 20 mm hr 1 이상일 때의 지점별 연평균 강수량이 270 mm 이상인 곳을 표시한다. 강수강도가 20 mm hr 1 이상일 때의 공간 평균된 연평균 강수량은 약 262 mm 이다. 강 수량이 많은 지역은 강동(578 mm), 남양주(429 mm), 의 정부(352 mm), 동대문(318 mm), 도봉(317 mm) 로 주로 서울의 북동 지역이다. 지역적 차이는 서울의 남서쪽 인 소하에서 261 mm, 동쪽인 강동에서 578 mm 로 최 대 2.2배로 집중호우성 강수의 경우의 공간적 분포의 차 이가 더 크다. 20 mm hr 1 이상일 때의 연평균 강수일수 가 6일 이상인 곳은 강동, 남양주, 의정부, 도봉으로 강 수량이 많은 곳의 강수일수도 많았다. 강수일수의 지 역적 차이 또한 강동에서 6일, 소하에서 4일로 최대 1.5배로 집중호우의 경우의 공간적 강수일수 차이가 더 크다. 20 mm hr 1 이상일 때의 강수일수 평년치인 5일을 초과하고 6일 미만인 곳은 성북, 구리, 관악, 동대 문, 마포, 광진, 은평, 구로 지점으로 도시의 풍하측 지 역 이외에도 주거지나 상업지가 밀집되어 인간 활동 이 활발한 곳에서도 집중호우 빈도가 높다. Fig. 18. The same as Fig. 17 but for 20.0 mm hr 1 or more. The red open triangles indicate sites over the precipitation amount of 270 mm. Atmosphere, Vol. 21, No. 3. (2011)
268 수도권지역의도시기상특성 Fig. 19 는 1998 년부터 2009 년까지의서울과수도권의연평균강수량과강수일수의공간분포특성을보여준다. 서울관측소의강수량에대한각관측지점의강수량의비로나타내어그비가 1 이상인지역을음영처리하였다. 공간평균된 12 년간서울과수도권의연평균강수량과강수일수는 1,320 mm 와 87 일으로서울과그인근지역의연평균강수량과강수일수와비슷하다. 강수량비가큰곳은청평, 강동, 용문산, 남양주, 의정부, 오포, 문산, 고천으로대부분서울외곽의북쪽과동쪽지역으로, 수도권의기온분포 (Fig. 11) 와는다른공간분포특성을보인다. 강수일수가많은지역은북한산 (97 일 ), 양평 (96 일 ), 이천 (96 일 ), 오포 (96 일 ), 포천 (95 일 ), 청평 (95 일 ), 인천공항 (95 일 ) 등이다. 인천공항의경우강수량 (1,037 mm) 은평년보다다소작은반면강수일수가많은데이는서해의고립된지형 ( 섬 ) 에의해강하지않은강도의비와눈이빈번히발생되기때문으로사료된다. 인천, 서울, 그리고양평관측소는동서로나란히위치하나강수량 / 강수일수가각각 1,192 mm/85 일, 1,387 mm/90 일그리고 1,477mm/96 일로동쪽으로갈수록즉풍하측으로갈수록강수량과강수일수가증가한다. 강우강도가 20 mm hr 1 이상일때의공간평균된연평균강수량과강수일수는 222 mm 와 4 일이다 (Fig. 20). 20 mm hr 1 이상일때의강수량과강수일수는고온지역 ( 영등포와시흥 ) 과서울의풍하측지역에서높게나타났다. 이와같이강수는국지적특성에많은영향을받고역학적그리고열역학적강제력에의해더욱강화될수있음을보여준다. 20 mm hr 1 이상일때의연 Fig. 20. The same as Fig. 19 but for 20.0 mm hr 1 or more. 평균강수일수가 6 일이상인곳은오포, 강동, 남양주, 의정부, 도봉, 청평으로강수량이많은곳의강수일수도많다. 특히강동과청평의강한강수량은서울의두배가넘어국지적으로단시간에많은양의비가내리는경우재해를수반할가능성이더높았다. 문산의경우에는강수일수에비해강수량이많았는데여름철남서류의종관흐름에의해서울주변의수도권의서쪽과남서쪽의고온지역 ( 수원, 오산, 시흥, 군포, 의왕, 인천 ) 에서유발된열역학적강제력이서울의북동쪽이류되고수도권북쪽의지형 ( 소요산 ) 에저지되어문산지역에많은비를내렸던것으로사료된다 (Figs. 1, 11). 또한여기에부가하여주로늦여름에발생되는찬대륙성고기압과따뜻한북태평양고기압이충돌의의해서도수도권의북쪽에더욱강한국지성강수가내렸던것으로보인다 ( 김기훈등, 2010). 20 mm hr 1 이상일때의인천, 서울, 그리고양평관측소의강수량 / 강수일수는각각 174 mm/3.5 일, 245 mm/4.7 일, 그리고 299 mm/5.3 일로풍하측으로갈수록강수량과강수일수가증가하고도시효과에의해유발된강수특성을보인다. 4. 요약및결론 Fig. 19. The distribution of annually averaged precipitation amount ratio between Seoul and other AWSs sites and annually averaged number of precipitation days for 0.1 mm hr 1 or more in Seoul metropolitan area from 1998 to 2009, The contour interval is 0.05 with shading being above 1. 본연구에서는수도권지역의도시화효과에따른기상변화특성을조사하여장기간의기상요소에나타난도시화효과를정량화하고도시화효과에따른날씨변화경향을알아보았다. 서울의기온은꾸준히상승하는경향을보였고다른지역에비해항상높았다. 서울, 인천, 수원등도시지역에서강수량의증가를보였고, 강화와이천의경우큰변화가없었으며, 서울의동쪽에위치한양평에서의강수량과강수일수의특징적인증가를보였다. 서울의상대습도는다른지역에비해항 한국기상학회대기제 21 권 3 호 (2011)
김연희 최다영 장동언 269 상낮게나타났다. 서울의최대도시열섬강도는여름에가장약하고가을과겨울에강하였다. 최대도시열섬강도는낮시간보다는밤시간에보다빈번히관측되었고, 풍속이증가함에따라감소하였고맑을때더욱강해졌다. 서울의기온의공간분포는도시중심의동서방향으로상대적으로고온지역이나타나영등포, 여의도, 용산등의서쪽중심으로고온지역, 강북, 서초, 송파, 동대문등을중심으로동북쪽지역에서넓은고온지역이존재하였다. 수도권에서는수원, 오산, 시흥, 군포, 의왕, 인천, 구리지역의기온이높아서울주변에작은도시들이집중적으로생겨남으로써하나의거대도시권이형성되었음을보여주었다. 서울의강수일수는감소하였으나강수량은증가하여강수강도가증가하는경향을보였다. 서울과서울근교도시들간의연강수량비를살펴보면다른도시에비해도시화정도가큰서울에서의강수량이더큰비율로증가하였다. 집중호우일수도점차증가하였고특히 1990 년대이후집중호우의빈도는현저하게증가하는경향을보였다 (Kim et al., 2009). 서울과양평에서일강수량이 50 mm 이상일때의강수량과강수일수는증가하는경향을보여집중호우성강수의강도와빈도가커졌다. 특히서울보다양평에서의집중호우성강수의양과일수가더많아도시의풍하측에서의강수증가현상을보였다. 강수량의공간분포는서울의주거지나상업지가밀집되어인간활동이활발한고온지역과북동쪽지역에서의강수량과강수일수가높게나타나지역적으로다른분포특징을보였다. 도시에의한현열속과거칠기의증가에의해생성된상승류가종관흐름에의해풍하측으로이동되므로도시열섬수렴대인고온지역과풍하측에서대류성강수량이증가되고, 강수일수는풍하측이류효과에의해도시의풍하측인서울의북동쪽외곽에서더많았다. 수도권의강수분포에서도서울외곽의북쪽과동쪽지역에강수량이많아수도권의기온분포와는다른특성을보인다. 같은위도지역에동서로나란히위치하는인천, 서울, 그리고양평관측소는강수량과강수일수는서쪽에서동쪽으로즉풍하측으로갈수록강수량과강수일수가증가하여도시효과에의해유발된강수특성을보인다. 이와같이강수는국지적특성에많은영향을받고역학적그리고열역학적강제력에의해더욱강화되거나약화될수있다. 향후보다장기간의상세관측자료를바탕으로지형및도시화효과에대한조사가필요하다. 최근기후변화와도시화에따른도시에서발생하는폭염, 집중호우, 폭설등의위험기상현상으로인한사회 경제적피해가증가하고있어지속가능한도시를위한도시기상에대한이해의필요성은더욱절실하게요구되고있다. 우리나라의경우국토면적의 16.6% 인도심지역에인구의 90.8% 가거주하므로특히이러한 도시에서의날씨변화와위험기상에대한예측성을높이고피해를경감하기위한정확하고신속한기상정보의제공이필요하다. 이를위해본연구에서조사된도시화에따른날씨변화에대한정량화된정보를기반으로기상수요밀집지역인대도시에대한특화된상세기상정보를생산하여서비스의질을개선하고도시에특화된날씨관측및예측시스템을구축할예정이다. 감사의글 본연구는국립기상연구소주요사업인 예보기술지원및활용연구 (NIMR-2011-B-1) 사업의일환으로수행되었습니다. 참고문헌 김기훈, 김연희, 장동언, 신승숙, 김동균, 황윤정, 최다영, 박종임, 2010: 2010 년수도권특별관측소개및호우사례분석. 한국기상학회가을학술대회논문집, 260-261. 김연희, 구해정, 남재철, 2005: 서울시강우특성분석을통한도시화영향평가. 서울도시연구, 6(2), 165-183. 구해정, 김연희, 최병철, 2007: 서울시도시열섬구조의변화에관한연구. 기후연구소, 2(2), 67-78. 부경온, 오성남, 2000: 1999 년서울지역기온의시공간분포특성. 한국기상학회지, 36(4), 499-506. 사공호상, 2004: 원격탐사와 GIS 를이용한수도권도시화지역확산특성에관한연구. 국토연구, 40, 53-69. 주현수, 김석철, 반지영, 최순심, 2006: 도시지역에서의바람길과대기질영향에관한연구. 한국환경정책평가연구원, 219 pp. Baik, J.-J., Y.-H. Kim, and H.-Y. Chun, 2001: Dry and moist convection forced by an urban heat island. J. Appl. Meteor., 40, 1462-1475. Balling, R., and S. Brazel, 1987: Recent changes in Phoenix summertime diurnal precipitation patterns. Theor. Appl. Climatol., 38, 50-54. Bornstein, R., and G. M. LeRoy, 1990: Urban barrier effects on convective and frontal thunderstroms. Extended Abstracts, Fourth Conf. on Mesoscale Processes, Boulder, CO, Amer. Meteor. Soc., 120-121. Bornstein, R., and Q. Lin, 2000: Urban heat islands and summertime convective thunderstorms in Atlanta: three case studies. Atmos. Environ., 34, 507-516. Chandler, T., 1965: The Climate of London, Hutchinson, London. Changnon, S. A., 1968: The La Porte weather anomaly-fact or fiction? Bull. Ameri. Meteor. Soc., 49(1), 4-11. Atmosphere, Vol. 21, No. 3. (2011)
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