1. 서 론

인간의 활동영역이 확장됨에 따라 토지이용도가 임 야 또는 농경지에서 도시의 형태로 꾸준히 변경되고 있다. 이와 같은 개발사업으로 인한 대기환경질의 변 화는 두 가지 요인에 의해서 결정되는데, 한 가지는 통풍환경의 변화이고, 나머지는 오염물질 배출조건 의 변화이다. 특히, 대형 사업이 시행될 때 설치되는 각종 인공구조물이 자연적인 기류의 흐름을 차단함 으로써 대상지역의 통풍환경이 악화된다면 해당지역 내에서 오염물질이 정체할 수 있으므로 대기질은 당 연히 악화될 것이다(Joo et al., 2006). 따라서 토지이용 형태가 변경됨에 따라 환경적으로 부정적인 영향이 없는지를 사전에 기상모델 또는 대기질 모델을 이용 하여 평가할 필요가 있다. 실제 국내에서 도시계획 및 개발계획에 대한 대기환경 영향평가 시 부분적으로 바람길을 고려하고 있고, 친환경적인 도시개발계획 을 수립하고 있으나, 바람길을 분석하는 방법과 실제 도시개발 및 계획에 반영하는 과정에 대한 명확한 방 법론이 제시된 바가 없기 때문에 바람길 평가자의 주 관적인 판단에 의존하여 피상적으로 시행되고 있다. 특히 바람길 모델링에 필요한 핵심 DB가 부족하여 실 제로 바람길 평가가 구체적으로 환경영향평가에 반 영되는 경우가 미흡한 실정이다(Koo et al., 2013).

대기질 변화를 예측하기 위해서는 AERMOD, CALPUFF, CMAQ, CAMx 등 많이 알려진 다수의 모 델 중에서 목적에 따라 선택적으로 사용할 수 있다. AERMOD는 단순지형에서 ISC3 모델의 단점과 복합 지형에서 CTDMPlus 모형의 복잡성을 보완하기 위해 서 미국기상학회와 미국환경부(AERMIC; Ame rical Meterological Society/EPA Regualtory Model Improvement Committee)가 공동으로 개발한 대기확산모델이 다(USEPA, 2004). CALPUFF는 퍼프의 이동을 시공간 에 따른 바람장의 변화로 고려할 수 있는 비정상상태 (non-steady state)의 모델이며, 해안가의 해륙풍 순환 이나 복잡지형의 산곡풍과 같은 급격한 바람장의 변 화를 나타내는 지역에 유용하다(Lee et al., 2007). 국내 에서는 CALPUFF 모델을 많이 사용하고 있으며, CALPUFF의 기상 전처리 모델인 CALMET을 이용하 여 기상의 변화를 동시에 분석할 수 있다(Park et al., 2018). CMAQ과 CAMx는 광화학 오일러리안 모델로 서 nesting이 가능하며, 사용자가 여러 가지 화학적 메 커니즘을 선택하여 사용할 수 있다(ENVIRON, 2005;USEPA, 1999).

이에따라 일부 선행연구들에서는 임야 형태가 높 은 비율을 차지하고 있는 지역이 시가화된 지역에 비 해 미세먼지 농도가 낮게 나타나는 것을 발견하였다. 또한 토지이용상태에 따른 토지피복지도를 기본으로 설정하여 대기질에 영향을 미치는 영향에 따라 주거 지역, 상업지역, 공업지역, 교통지역과 비오염지역으 로 분류하여 오염물질에 따른 각 지역 측정소의 상관 계수를 분석한 결과, 토지이용 상태에 따른 대기오염 의 주 오염원을 파악할 수 있었으며, 대기오염의 발 생특성과 일치도하고 있음을 확인하였다(Choi et al., 2019;Choi et al., 2004). Sun et al. (2016)은 중국의 칭 다오, 지난, 정저우 등 대표적인 8개 도시를 선정하여 미세먼지 오염도와 토지이용도와의 관계에 대해서 분석하였으며, 그 결과 자연적인 요인이나 도시확장 등과 같은 인간활동에 의해 토지이용도가 변경됨에 따라 미세먼지의 오염도는 지역별로 명확한 차이가 나타났다. Lim et al. (2000)는 서울지역의 지형 및 토 지이용도에 따른 3차원 바람장을 산출하였는데, 지표 면 거칠기가 증가하면서 지표부근의 풍속을 약화시 키는 효과가 나타났으며, 결국 도심지나 숲 지역은 지 면의 거칠기가 커서 풍속을 상대적으로 많이 약화시 키는 현상을 모델링을 통해 모사하였다. 그 결과에서 지표면 거칠기를 조정하는 경우 지표면에서의 풍속 이 달라는 것을 확인하였다.

일반적으로 CALMET에서 사용하는 지형자료와 토 지이용도를 생성하기 위해서는 전처리 모델인 TERREL, CTGPROC, MAKEGEO를 활용한다. 그러나, 전처리 모델을 이용하는 경우, 제한된 지형자료와 토지이용 도를 자동으로 입력하여 사용자가 세팅한 영역에 맞 추어 입력자료의 형태로 만들어주는 편리성이 있으 나, 도시화로 인하여 지형도와 토지이용도가 변하는 경우에는 적용의 유연성이 떨어지며, 사용자가 별도 로 입력자료를 만들어서 사용하여야 한다. 그럼에도 불구하고, MAKEGEO 프로그램에서는 지표면 거칠 기, Albedo, Bowen비, soil heat flux, leaf area index 등의 값이 토지이용도에 관계없이 고정된 값들이 적 용되고 있다. 그러나 기본값은 당초 CALMET이 만들 어지는 시점인 2000년도 이전 시점에 만들어진 값으 로 현시점으로 건물의 높이와 지표면의 형태 등이 달 라졌으므로 CALMET 모델을 위해서도 토지이용도에 따른 입력변수들의 값이 현실적인 상황을 반영해야 할 필요가 있다. CALMET은 모델링 수행 시 토지피복 도를 사용하지만, USGS 자료를 이용하는 경우 우리 나라의 산업화 및 도시화 특성을 반영하기 어려운 것 으로 나타났다(Jeon and Kim, 2016;Jeong et al., 2011).

따라서, 본 연구에서는 토지이용도별로 CALMET 모델링에서 풍속과 미기상학적 인자의 변화량을 분 석하여 도시개발 전후상황을 평가하는데에 대한 CALMET의 효용성을 검토하고자 하였다. 또한 CALMET에 입력되는 토지이용도와 관련된 인자에 따 른 미기상 요소와의 민감도에 대해서도 고찰하였다.

2. 연구방법

2.1. CALMET 모델 개요

CALMET은 2000년도부터 미국 EPA와 국내에서 대 기질 예측 및 평가를 목적으로 사용되는 비정상상태 모델인 CALPUFF의 기상입력자료 생성을 위한 3차원 기상모델이다. CALMET은 Sigma Research Corporation (현 Earth Tech, Inc.)에서 개발되었으며, California Air Resources Board (CARB)에 의해 검증되어 배포된 기 상모델이다. CALMET을 실행하기 위해서는 지형자 료, 토지이용도자료, 지표기상 및 상층기상자료와 그 와 관련된 지리정보를 입력하여야 하는데, 본 연구에 서는 도시화에 의한 토지이용도의 변화에 따른 기상 변화를 분석하기 위하여 지형자료와 토지이용도 자 료를 변경하여 모델링을 수행하였다. 모델링 대상지 역은 경기도 성남시 분당구 일원을 대상으로 6 km× 6 km 범위로 설정하였으며, 100 m 해상도의 60 × 60개 격자를 구성하여 격자별 대표 토지이용도를 적용하 여 DB를 구축하였다. 경기도 성남시 분당구는 1989년 1기 신도시로 지정되어 1991년부터 대단위 주거지역 으로 개발이 집중되면서 토지이용도가 크게 변화된 지역으로서 1980년대 말에는 대부분 농업 및 산림지 역으로 분포되어 있었으나, 2010년 말에는 대부분의 농업지역이 도시화되었으며, 일부 산림지역까지도 도 시화가 진행되었다. 기상자료는 기상청의 기상관측 망 중 대상지역에서 가장 인접하여 위치한 성남 AWS (572)의 2019년 기상자료를 적용하였다.

2.2 토지이용도에 따른 입력변수 인자의 결정

CALMET의 전처리 모델인 MAKEGEO 프로그램에 사용되는 토지이용도에 따른 거칠기, Albedo, Bowen 비, soil heat flux, leaf area index 등의 값은 Table 1과 같다. 본 연구에서는 도시지역에 해당하는 Land-use type의 10에 해당하는 입력변수를 Table 2와 같이 총 9개의 case를 구분하여 CALMET 모델을 수행하였다. Case 1은 CALMET에서 개발 전에 해당하는 조건으로 Table 1에서 기본적으로 제공하고 있는 Forest Land를 기준으로 적용하였다. Case 2는 지표면 거칠기를 CALMET에서 제공하는 도시에 해당하는 기본값인 1.0 을 적용한 것으로서 지형에 의한 미기상 변화를 확인 하기 위하여 지형자료를 본 연구를 위한 모사영역에 서의 실제 지형자료를 적용한 경우이다. Case 3은 Case 2와 지표면 거칠기에 따른 민감도를 확인하기 위하 여 지표면 거칠기를 3.0 m로 적용하고, 다른 변수는 동일하게 적용하였다. Case 4와 Case 5는 Albedo에 따 른 민감도를 확인하기 위하여 Albedo만 변경하고 다 른 변수는 동일한 상태로 모델을 수행하였다. Case 6 과 Case 7은 Bowen비에 따른 민감도를 확인하기 위하 여 Bowen비만 변화를 주고, 다른 변수는 동일하게 적 용하여 결과를 추출하였다. Case 8은 Case 1과 비교하 기 위하여 도시화된 경우로 가정하여 본 논문에서 제 안하는 도시의 기상입력변수를 설정하여 모델을 수 행한 경우에 해당한다. 모델을 수행한 결과의 비교 대 상 미기상 요소는 대기오염 확산현상과 관련된 주요 물질로 풍속과 마찰속도, 안정도를 좌우하는 Monin- Obukhov 길이, 대기오염물질의 희석공간을 정의하는 대기혼합고를 계산하여 기상변화에 따른 대기질 영 향까지 추정해 볼 수 있도록 결과를 추출하여 비교하였다.

3. 결과 및 고찰

토지이용도의 변화는 지표면의 상태변화를 나타내 게 되며, 이는 곧 풍속 등의 미기상에 영향을 주는 것 으로 예견할 수 있다. 그러나, CALMET을 활용하여 분 석하고자 할 경우, 모델링 영역 내부에서 측정된 기 상자료를 이용할 경우, 실측된 자료에 가장 가중치를 높게 평가하게 되므로 토지이용도 등의 입력값이 변 화하여도 기상입력자료에 좌우되어 계산되므로 당초 목적인 토지이용도 변화를 명확히 해석하기 어렵게 된다. 이는 당초 목적에 적합한 결과를 해석할 수 없 으며, CALMET의 알고리즘상의 한계와 대안을 확인 하고 입력자료를 변경하여 모델링을 할 필요가 있다. 특히, CALMET을 이용하여 기상변화를 분석할 때, 도 시의 토지피복도와 토지이용도 형태에 따라 지표면 거칠기, Albedo, Bowen비를 지역 상황에 맞게 적절한 값으로 수정입력하여야 한다. 그럼에도, CALMET의 알고리즘에서는 지표면 거칠기에 따른 지표풍속을 계산하는 과정이 없으므로, 도시화로 인한 기상 및 대 기의 변화를 계산하기 위해서는 지표면 거칠기에 따 라 풍속의 변화가 고려되는 알고리즘이 적용되어야 할 것으로 판단된다.

3.1 지표면 거칠기에 따른 미기상 변화

지표면 거칠기의 변화에 따른 지역적인 기상의 변 화를 분석하기 위하여 동일한 지형을 입력한 조건에 서 도시화가 진행됨에 따라 개발된 영역에서의 지표 면의 거칠기를 1.0 m (Case 2)에서 3.0 m (Case 3)로 변 경하였으며, 그 외의 변수는 Table 2와 같이 동일하게 적용하였다. CALMET 모델링 결과, 모델에서 계산하 는 최하층 높이인 10 m에서의 풍속 변화는 없는 것으 로 나타났으며, 지표면 거칠기가 1.0 m에서 3.0 m로 높 아짐에 따라 평균풍속과 최대풍속이 각각 28%와 32% 씩 증가하였다(Table 3). 고도 75 m에서의 풍속은 평 균풍속과 최대풍속이 각각 37%와 43% 증가하는 것으 로 나타나는 것으로 미루어보아 지표면의 거칠기가 상층고도의 풍속계산에 영향을 주는 것을 확인할 수 있다. 또한, 마찰속도는 Fig. 1에서 볼 수 있듯이 지표 면의 거칠기를 3 m로 적용한 case 3이 다소 더 높은 수 준을 유지하는 것을 알 수 있으며, 이로부터 평균 마 찰속도는 54% 증가하고, 최대 마찰속도가 74% 까지 증가하는 것으로 나타났다. CALMET에서 마찰속도 는 식 (1)과 같이 지표면 거칠기와 Monin-Obukhov 길 이, 풍속을 변수로 하여 정의되며, 지표면 거칠기에 비 례하여 계산된다.

식 (1)에서 u^*는 마찰속도(m/s), k는 von Karman 상 수(0.4), u는 z 고도에서의 풍속, z₀는 지표면 거칠기(m), L은 Monin-Obukhov 길이(m)를 나타내며, Ψ_m은 안정 성 보정함수를 의미한다. 또한 식 (1)을 위하여 필요 한 Monin-Obukhov 길이는 식(2)의 정의에 따른다 (Scire et al., 2000).

식 (2)에서 L은 Monin-Obukhov 길이를 나타내며, ρ 는 공기의 밀도, c_p는 정압비열(996 m²/(s²°K)), T는 대 기온도(°K), u^*는 마찰속도(m/s)이며, k는 von Karman 상수(0.4), g는 중력가속도, Q_h는 현열(W/m²)을 의미 한다(Holtslag et al., 1983;Scire et al., 2000). 그러나, 식 (1)을 계산하기 위해서는 Monin-Obukhov 길이가 필요하며, 식 (2)를 위해서는 마찰속도가 필요하다. 따 라서 전체적인 계산을 위하여 CALMET에서는 우선 식 (1)에서 Monin-Obukhov 길이를 가정하여 마찰속 도를 계산한 결과를 식 (2)에 적용하여 Monin-Obukhov 길이를 다시 계산하고, 계산된 Monin-Obukhov 길이 를 이용하여 식 (1)을 다시 계산하여 최종 마찰속도를 결정한다. 따라서, 식 (1)과 식 (2)에 의해 지표면의 거 칠기가 증가하게 되면, 마찰속도도 증가하는 것으로 계산되며, 그 결과에 의해 Monin-Obukhov 길이는 감 소하는 것으로 설명되고 있다. Table 3에 요약한 계산 결과는 Monin-Obukov 길이의 최저값과 평균값이 5 배 이상 차이가 나는 것을 보여주고 있으며, 최대값 의 경우 주로 저녁시간에 423%까지 증가하는 것으로 계산되었다. 겨울철에도 동일한 현상을 나타내고 있 으며, 이 결과는 혼합고를 결정하는데 적용된다. 그 결 과로 평균 혼합고가 22% 증가하였으며, 최대 혼합고 는 일부 시간에 955 m에서 1,384 m까지 45% 이상 증 가하는 것으로 나타났다. 그러나, 지표면 거칠기 변화 에 따른 지표면의 풍속은 변하지 않으므로 Lim et al. (2000)에서의 결과와 상이한 것을 알 수 있었다.

3.2 Albedo에 따른 미기상 변화

복사조도의 반사비율을 나타내는 Albedo의 변화에 따라서 미기상의 변화를 분석하기 위하여 Albedo를 도시화된 영역에 대해서 0.12 (Case 4)에서 0.55 (Case 5)로 변경하였으며, 그 외의 변수는 동일하게 적용하 였다. 모델링 결과, 모든 고도에서 풍속의 변화가 없 는 것으로 나타났으며 (Table 4), 마찰속도는 Fig. 2와 같이 주로 낮시간에 Albedo를 0.55로 높여 적용한 Case 6에서 작은 경향을 보여주었다. 평균 마찰속도가 13%, 최대 마찰속도는 여름철에 4%까지 감소하였다. CALMET에서 Albedo는 식(3)과 같이 순복사량을 계 산할 때 적용되는 값으로서 Albedo와 순복사량은 반 비례하는 것으로 설명하고 있다.

여기서, Q_*는 순복사량을 나타내며, Q_sw는 흡수되는 단파 일사량, A는 Albedo, Q_lw-d는 유입되는 장파 일사 량, Q_lw-u는 방출되는 장파 일사량을 의미한다(Scire et al., 2000). 이 식에 의해서 계산된 순복사량은 낮시간 의 현열량을 계산하는데 비례적으로 적용되고 있으 며, 낮시간의 혼합고를 계산할 때 현열량이 비례적으 로 적용되므로, Albedo가 0.12에서 0.55로 커짐에 따라 혼합고가 낮아지는 반비례의 관계를 갖게 된다. 이와 같은 혼합고와의 반비례관계는 Fig. 2에 시계열로 혼 합고를 나타낸 결과에서도 혼합고가 감소된 것을 확 인할 수 있으며, Table 4에 정리한 결과에서도 최대 혼 합고가 2,427 m에서 1,921 m로 21%나 감소되는 것으 로 나타났다.

3.3 Bowen비에 따른 미기상 변화

잠열량과 현열량에 대한 비율을 의미하는 Bowen비 의 변화에 따라서 기상의 변화를 분석하기 위하여 도 시화로 개발된 영역에 대해서 Bowen비를 5.0 (Case 6) 에서 1.0 (Case 7)로 변경하였으며, 그 외의 변수는 동 일하게 적용하였다. 풍속의 변화는 Table 5에 요약한 바와 같이 CALMET 모델에서 계산하는 모든 고도에 서 없는 것으로 나타났다. 마찰속도는 낮시간에 Bowen 비를 1.0으로 적용한 Case 8에서 마찰속도가 작아지 는 것으로 나타났으며(Fig. 3), 평균 마찰속도가 10%, 최대 마찰속도가 6% 감소하는 것으로 나타났다. 마 찰속도는 식(4)에서 계산된 현열량과 비례관계에 있 으며, 따라서 Bowen비가 감소하게 되면 마찰속도가 감소하는 것으로 설명된다. CALMET에서 Bowen비는 식(4)와 같이 낮시간의 현열량을 계산할 때 적용되는 값으로서 현열량과 Bowen비는 비례하는 것으로 설 명되고 있다.

여기서, Q_h는 현열량을 의미하며, B는 Bowen비, Q_*는 순복사량, c_g는 지표의 특성을 나타내는 함수로서, 도 시지역은 0.25~0.30을 갖는다. Q_f는 인공열량을 의미 한다. 식 (4)에 의해 계산된 현열량은 혼합고 계산시 비례관계를 나타내는 값이므로 Bowen비가 감소함에 따라 혼합고는 감소하는 것을 의미한다(Scire et al., 2000). 이는 Fig. 3에서 나타난 시계열 혼합고에서 Case 6 (5.0) 보다 Case 7 (1.0)이 작아지는 이유를 설명할 수 있으며, 최대 혼합고는 20% 정도 감소하는 것으로 나 타나고 있다.

3.4 도시화에 따른 미기상 변화

임야 또는 녹지에 도시를 건설할 경우, 다양한 환경 적 조건이 변경되게 된다. 기상모델을 이용하여 토지 이용 변화에 따른 대기질 변화를 예측하고자 할 때 입 력되는 기상변수는 모델을 통해 예측된 결과의 신뢰 도를 좌우하게 된다. 본 연구에서는 일반적으로 CALMET에서 기본으로 제공되고 있는 토지이용도에 따른 입력변수를 현시점에 맞게 수정하여 적용함으 로써 토지이용도 변화에 따른 기상변화를 분석하고 자 하였다. Table 6에서 볼 수 있듯이 지표면 거칠기를 도시에 대해서 0.8 m에서 2.45 m로 변경하여 실측풍 속과 비교한 결과 Bias가 1.33에서 0.24로 향상되는 결 과를 나타낸 바 있다(Shen et al., 2019). 국내의 한 연구 사례에 따르면 서울 도심을 대상으로 건물의 효과를 고려하여 지표면 거칠기를 산정한 결과, 0.58~3.64 m 로 나타낸 바 있다(Yi et al., 2015). 본 연구에서는 최근 진행되는 도시화의 경우가 대부분 고층형 공동주택 으로 조성되고 있는 특성을 반영하여, Yi et al. (2015) 의 연구결과 가운데, 강남지역과 유사한 3.0 m로 설 정한 Case 8을 Case 1과 비교해보았다. Fig. 4는 모델 링 결과 중 풍속, 마찰속도, 혼합고의 시간별 변화를 시계열로 비교하여 나타낸 것으로서 지표면의 풍속 변화는 없으나, 고도가 상승함에 따라 풍속이 증가하 는 것으로 나타났으며, 마찰속도와 혼합고도 감소하 는 것으로 예측되었다. 기상요소별로 상세히 비교한 결과를 Table 7에 정리하였다. 10 m 고도에서의 풍속 변화는 없는 것으로 나타났으나, 35 m의 풍속과 75 m 높이에서의 풍속은 평균적으로 27%~39% 정도 증가 하는 것으로 나타났으며, 최대풍속의 경우 32~42% 증 가하는 것으로 예측되었다. 또한, 마찰속도는 풍속의 증가와 반비례하는 값으로 최대 30% 감소하는 것으 로 나타났다.

4. 결 론

본 연구는 도시화에 따른 토지이용도 변화에 의한 대기환경영향을 예측하기 위한 모델링 작업에서 기 상변화 분석을 위하여 사용되는 CALMET 모델의 효 용성을 검토해보았다. CALMET 모델링에 필요한 토 지이용도에 따른 default 변수들이 2000년도 이전의 값 들이라 지표면의 높이나 건물 규모 등 현장의 최신 조 건을 반영하지 못하므로 일부 변수를 수정하여 모델 계산의 신뢰성을 향상시킬 수 있을지 확인하였다. 지 형자료와 14개의 category로 구분하는 토지이용도에 따라 변경되는 지표면 거칠기, Albedo, Bowen비, soil heat flux, leaf area index가 있는데, 본 연구에서는 지 표면 거칠기, Albedo, Bowen비, 지형자료를 변경하여 미기상에 미치는 민감도를 비교하였다.

그 결과, 지표면의 거칠기는 입력값에 따라 10 m 높 이의 풍속에 영향을 미치지는 않으나, 마찰계수를 증 가시키고, Monin-Obukhov 길이와 혼합고에 영향을 주는 것으로 나타났으며, Albedo는 값이 커짐에 따라 마찰속도와 혼합고를 감소시키는 반비례의 관계에 있는 것으로 나타났다. 또한, Bowen비는 값이 작아짐 에 따라 마찰속도와 혼합고를 감소시키는 비례관계 에 있는 것으로 나타났다. 마지막으로 본 연구에서 제 안하는 도시에 해당하는 입력인자를 정의하여 임야 일 때와 도심일 때의 기상변화를 분석한 결과, 도심 인 경우에 지표면의 풍속에는 변화는 없으나 고도가 상승할수록 풍속이 감소하는 것으로 나타났으며, 혼 합고도 감소하는 것으로 나타났다. 이는 동일한 양의 대기오염물질이 대기중으로 배출되는 경우, 혼합고 와 풍속의 동시적인 감소로 인하여 대기질이 임야인 경우에 비해 상대적으로 더 악화될 가능성이 있는 것 으로 추정할 수 있다.