Blocking Effects of Buildings on Sunshine Duration at Seoul and Daegu ASOSs

2.1 관측지점과 대상일

본 연구의 목적은 관측소 주변 건물과 지형이 일조 관측환경에 미치는 영향을 조사하는 것이다. 이를 위하여 관측소 주변에 높은 산과 건물이 존재하는 서울과 대구 ASOS 주변 지역을 대상지역으로 선정하였다. 대상지역은 서울과 대구 ASOS 지점을 중심으로 동서·남북 방향으로 각각 2 km의 영역이다(Figs. 1 and 2). 서울 ASOS 지점의 해발 고도는 75 m로 주변지역보다 상대적으로 높은 고도에 위치한다. 서울 ASOS 지점의 동쪽으로 약 140 m 지점에 경희궁이 위치하고, 북동쪽으로 20층 이상의 아파트 단지가 위치한다. 서쪽에는 독립문과 아파트 단지가 위치하고 남서쪽에는 최고 높이 338 m의 인왕산이 위치해 있다. 대상지점의 범위 내에 포함된 인왕산의 최고 높이는 180 m이다(Fig. 1a). 대구 ASOS 지점의 해발 고도는 55 m로 주변과 비슷한 고도에 위치한다. 대구 ASOS 지점은 대구 시내에 위치하고 있으며 주변에는 주로 주택가가 위치해 있다. 대구 ASOS 지점의 남서쪽에는 20층 높이의 아파트 단지가 위치해 있고, 동쪽에는 8층 높이의 병원 건물이 위치해 있다(Fig. 2a). 앞에서 살펴본 바와 같이, 서울과 대구 ASOS 지점에서 관측된 일조 관측 자료는 주변 건물이나 지형에 의한 일조 차폐 효과가 반영되어 있을 가능성이 높다. 본 연구에서는 건물과 지형에 대한 입력 자료를 구축하기 위하여, 2008년에 작성된 지리정보시스템(Geographic Information System, GIS) 자료를 사용하였다. 건물이나 지형에 의한 일조 차단 영향을 수치모의하고, 이를 관측 자료와 비교하기 위해서는 GIS 자료의 작성 년도와 자료의 관측 년도가 일치하여야 한다. 본 연구에서는 2008년에 관측된 자료 중에서 각 계절에 대해 일주일간 전운량이 35% 이하인 날을 선정하였다. 단, 여름철 최저 전운량은 서울과 대구 ASOS 지점에서 각각 44.71%와 53.57%이다. 서울 ASOS 지점의 경우, 4월 14일~4월 20일(봄), 6월 10일~6월 16일(여름), 10월 8일~10월 14일(가을), 12월 22일~12월 28일(겨울)에 대해 분석하였다. 대구 ASOS 지점의 경우, 분석일은 4월 2일~4월 8일(봄), 7월 6일~7월 12일(여름), 10월 11일~10월 17일(가을), 1월 2일~1월 8일(겨울)이다. 일조 관측 자료는 1시간 간격의 자료이고, 수치 계산은 1분 간격으로 수행하였다.

Fig. 1.

(a) A picture of the area around Seoul ASOS (ASOS 108) and (b) a three-dimensional topography and buildings used as a surface-boundary condition in the numerical model.

Fig. 2.

The same as in Fig. 1 except for Daegu ASOS (ASOS 143).

2.2 실험 설계

본 연구에서 사용한 태양 위치(방위각과 고도각)는 Schlyter (2010)가 제안한 모델을 사용하여 계산하였다. 대상일에 대해 관측지점(위도, 경도)을 기준으로 태양 방위각과 고도각을 계산하여 태양 위치를 결정한다. 이 방법은 율리우스 일을 사용하여 천구 적도를 기준면으로 원일점, 근일점, 이심률, 평균근점이각, 천구 적도와 황도, 태양 적경과 적위를 계산하여 태양 위치를 산정한다. 즉, 행성들의 궤도 자료로부터 행성 위치를 계산하고, 세차현상을 황도 좌표계의 경도에 더하는 것으로 계산한다. 그러나 관측자의 운동에 의해 천체의 겉보기가 영향을 받는 현상과 행성간의 수차는 무시한다. 행성의 위치계산법에 대한 더 자세한 설명은 Schlyter (2010)에 제시되어 있다.

대상지점에 대한 상세 지형 자료는 GIS 자료를 사용하여 구축하였다. GIS 자료는 상세하고 정확한 지형 정보를 포함하기 때문에, 상세지역에 대한 3차원 지표경계자료를 구축하는 데 사용되고 있다(Baik et al., 2009; Lee and Kim, 2011; Choi et al., 2012). 이 연구에서 사용한 격자 해상도는 동서, 남북, 연직 방향으로 10 m, 10 m, 5 m이다. 서울과 대구 ASOS 지점 모두 동서, 남북 방향으로 100개의 격자를 고려하였다. 연직 방향의 경우, 대상지역 내의 건물과 지형 높이를 고려하여, 서울과 대구 ASOS 지역에 각각 53개와 26개의 격자를 고려하였다. 이를 기반으로 구축한 연구 대상지역의 3차원 지형을 Fig. 1b와 Fig. 2b에 나타내었다.

상기에서 계산한 태양 고도각·방위각과 GIS자료로 구축한 지형 자료를 이용하여 각 지점에 대한 일조 차단 영향을 다음과 같이 계산한다(Fig. 3). 먼저, 대상지역에 존재하는 모든 건물과 지형은 10 m×10m×5m의 크기를 갖는 단위 격자셀을 이용하여 구축한다. 그리고 모든 격자셀에 대해 관측지점과 격자셀 중심을 잇는 방위각(α)과 고도각(β)을 계산한다. 이와 같이 계산한 방위각·고도각을 태양 방위각·고도각과 비교한다. 태양 방위각이 건물이나 지형을 구성하는 격자셀 내에 위치하고, 태양 고도각이 건물이나 지형 고도각보다 작으면, 관측지점의 일조가 차단되는 것으로 판단한다. 이 과정을 일분 단위로 반복적으로 계산하여, 관측지점에서의 일조시간을 계산한다. 본 연구에서는 이를 이용하여 일조 차단이 발생한 시각에 대해 건물이나 지형의 영향을 분석하였고, 건물이 존재하는 경우와 건물이 존재하지 않는 경우를 구분하여, 건물에 의한 일조 차단 영향을 분석하였다.

Fig. 3.

A schematic diagram for detection of the obstacle that blocks sunshine duration at each grid point.

2.3 일조 모델 검증

한국천문연구원(Korea Astronomy and Space Science Institute, KASI)에서 제공하는 시간별 자료를 이용하여 태양 방위각과 고도각 계산 결과를 비교·검증하였다. Figure 4는 대상기간에 대하여 서울과 대구 ASOS 지점에서 계산한 태양 방위각과 고도각을 한국천문연구원 자료와 비교한 것이다. 서울 ASOS 지점에서 계산한 태양 방위각과 고도각의 평균제곱근오차(Root Mean Square Error, RMSE)는 각각 0.26^o, 0.36^o이고, 대구 ASOS 지점은 각각 0.14^o, 0.33^o이다. 본 연구에서는 Schlyter (2010)의 행성위치계산법을 사용하였으나, 한국천문연구원에서는 Meeus (1998)가 제안한 행성위치계산법을 사용하였기 때문에 태양 방위각과 고도각 계산 결과에 작은 오차가 발생하였다. 그러나 본 연구에서 사용한 일조 모델이 전반적으로 태양 방위각과 고도각을 정확하게 계산하고 있음을 알 수 있다.

Fig. 4.

Comparison of solar azimuth [(a) and (c)] and altitude angles [(b) and (d)] calculated by Astronomy and Space Science Institute (KASI) and the numerical model developed in this study for Seoul (upper panel) and Daegu ASOSs (lower panel). RMSE indicate root mean square error.

3.1 서울 ASOS (ASOS 108)

관측소 주변 지역에 고층 건물과 높은 산악 지형이 위치하여 건물과 지형에 의한 일조 차단 영향 가능성이 높은 서울 ASOS 지점(ASOS 108)에 대해 계절별로 일주일 동안의 일조시간을 계산하였고, 이를 관측자료와 비교·분석하였다. Figure 4는 봄철 일조시간과 일조 차단에 영향을 미치는 건물을 나타낸다. 4월 16, 17, 20일은 구름이나 안개 때문에, 관측된 일조시간이 계산된 일조시간보다 작다. 건물이 일조 차단에 미치는 영향을 조사하기 위하여, 대상기간(4월 14일~4월 20일) 중 전운량이 가장 낮은 날(4월 18일, 전운량 = 0.3)을 자세히 분석하였다. 이 날 천문연구원에서 계산한 일출 시간과 일몰 시간은 각각 5시 53분, 19시다. 지형이나 건물을 전혀 고려하지 않고, 서울 ASOS의 태양 고도각과 위경도 정보만을 이용하여 산출한 일출 시간(05시 54분)과 일몰 시간(19시 01분)은 천문연구원이 산출한 것과 거의 같다. 반면, 서울 ASOS에서 관측된 일조시작 시간(6시 30분)과 일조끝 시간(18시 13분)과는 큰 차이가 나타난다. 태양 고도각과 위경도 정보만을 이용하여 산출한 일출 시간과 일몰시간은 지형이나 건물을 고려하지 않고 이들에 의한 일조 차폐를 고려하지 않는다. 따라서, 일출 시간은 지형과 건물의 영향이 반영되어 관측된 일조시작 시간보다 빠르고 일몰 시간은 일조끝 시간보다 늦다. 지형과 건물정보가 반영된 일조 모델을 수행한 결과, 일출 직후에는 건물에 의한 일조 차단이 발생하지 않았다. 그러나 관측된 일조시작 시간보다 7분이 빠르게 나타나는데, 이 차이는 모델 해상도(10 m)에 의해서 발생했거나(Kim et al., 2013), 일조시작 시간에 안개나 구름에 의해 차단되었을 가능성이 있다. 관측된 일조끝 시간은 18시 13분이고, 건물을 고려하여 시뮬레이션한 경우에는 18시 27분이다. 이 차이는 일조시작 시간 때와 같은 원인에 의한 것으로 판단된다. 반면, 건물을 고려하지 않고 시뮬레이션한 경우에는 18시 44분이다(Fig. 5a). 원인을 분석한 결과, 서울 ASOS 지점의 서쪽 725 m 지점에 위치한 아파트 단지에 의해 일조 차단이 발생했다(Fig. 5b). 서울 ASOS 지점의 경우, 주변 지형에 의해 일조시작 시간이 지연되었고, 주변 지형과 건물에 의해 일조끝 시간이 단축되었다(Table 1).

Table 1.

The sunshine/sunset time and starting/ending time of sunshine duration at Seoul ASOS (ASOS 108).

Fig. 5.

(a) The observed and calculated sunshine indices for the period, 14~20 April 2008 at Seoul ASOS and (b) buildings blockings sunshine (indicated by the dotted box) toward Seoul ASOS.

동일한 방법으로, 여름철 일조시간과 일조 차단에 대해 분석하였다(Fig. 6). 대상기간(6월 10일~6월 16일) 동안, 대부분 구름이나 안개에 의해 부분적으로 일조가 차단된 것으로 분석된다. 전운량이 가장 낮은 6월 12일(전운량 = 2.5)에 대해 자세히 분석하였다. 이날 천문연구원에서 계산한 일출 시간과 일몰 시간은 각각 5시 10분과 19시 52분이다. 태양 고도각과 위경도 정보만을 이용하여 시뮬레이션한 일출 시간과 일몰 시간은 각각 5시 10분과 19시 53분으로 천문연구원 자료와 거의 일치한다. 관측된 일조끝 시간은 18시 43분이고, 건물을 고려한 경우에는 18시 54분인 반면, 건물을 고려하지 않은 경우에는 18시 58분이다(Table 1과 Fig. 6a). 일조끝 무렵에는 서울 ASOS 지점 북서방향 110 m 거리에 위치한 건물 영향을 받았다(Fig. 6b). 이 건물에 의한 일조 차단이 4분간 지속됨을 알 수 있다.

가을철(10월 8일~10월 14일)에는 구름이나 안개에 의한 일조 차단이 가장 적은 10월 14일(전운량 = 0.5)에 대해 조사하였다. 천문연구원 자료와 본 연구에서 시뮬레이션한 일출 시간과 일몰 시간은 각각 6시 39분, 17시 57분으로 동일하다. 관측 일조시작 시간과 일조끝 시간은 각각 7시와 17시 18분이다. 일조시작 전에는 서울 ASOS 지점 동쪽으로 약 580 m 거리에 위치한 건물에 의해 일조 차단이 발생했다(Fig. 7b). 관측된 일조시작 시간과 건물을 고려한 일조 모델이 시뮬레이션한 일조시작 시간은 7시로 동일한 반면, 건물을 고려하지 않은 경우에는 6시 55분이다(Table 1과 Fig. 7a). 일몰 직전에는 건물에 의한 일조 차단은 없지만, 남서쪽에 위치한 높은 산악 지형에 의해 일조 차단이 발생했다. 서울 ASOS 지점 남서쪽 약 900 m 거리에 위치한 해발 고도 180 m의 인왕산이 일조에 영향을 미친다(Fig. 8). 그러나 대상 영역 바깥쪽에 위치한 인왕산 최고봉의 해발 고도가 388 m인 것을 고려하면 일조끝 시간이 더욱 단축될 가능성을 배제할 수 없다.

Fig. 6.

The same as in Fig. 4 except for 10~16 June 2008

Fig. 7.

The same as in Fig. 4 except for 8~14 October 2008.

Fig. 8.

A mountain blocking sunshine (indicated by the circle) toward Seoul ASOS at 1720 LST 14 October 2008.

겨울철은 대상기간(12월 22일~12월 28일) 중 전운량(= 0)이 가장 낮은 12월 22일에 대해 조사하였다. 이 날 천문연구원에서 계산한 일출 시간과 일몰 시간은 각각 7시 43분, 17시 18분이다. 일조 모델로 시뮬레이션한 일출 시간과 일몰 시간은 각각 7시 43분과 17시 17분으로 천문연구원 자료와 거의 동일하다. 관측된 일조시작 시간과 일조끝 시간은 08시 12분과 16시 55분이고, 일조 모델이 시뮬레이션한 시간은 08시 19분과 16시 45분이다. ASOS의 관측된 일조시간은 건물에 의한 일조 차단은 없었지만(Fig. 9a), 지형의 영향이 반영되어 일조시작 시간은 36분 지연되었고 일조끝 시간은 33분 단축되었다.

Fig. 9.

The same as in Fig. 4 except for 22~28 December 2008.

관측된 일조시간과 시뮬레이션한 일조시간 사이의 차이는 다음과 같은 원인에 기인한 것으로 판단된다. 첫째, 지형 자료 해상도 등으로 인해 건물에 의한 일조 차단 효과가 과장되었을 수 있다. 둘째, 일조 모델에서는 태양 중심 고도와 관측지점 사이에 위치한 건물이나 지형에 의한 태양광 차단 유무를 기준으로 일조 차단을 판단하는데, 일출과 일몰시의 태양광 굴절효과를 반영하지 못한 결과로 분석된다. 특히, 지형자료 해상도에 의한 오차에 대하여, 김도용 등(2013)은 건물 외관이 구축된 지형 자료 해상도 차이를 비교하여 고해상도 지표자료를 사용한 계산결과가 관측 일조에 더 근사하게 나타남을 보였다. 이 결과에 따르면, 일조 관측 위치에 대하여 지형 자료 해상도에 의해 오차가 발생할 수 있고, 이로 인해 일조시작 시간과 일조끝 시간에 오차가 발생할 수 있다.

태양 고도각·방위각은 율리우스 일과 시간에 대한 함수이기 때문에, ASOS 지점의 일조 차단을 유발하는 건물과 지형이 다르다. 모든 분석기간 동안 전운량이 0이라고 가정하였을 때, 건물에 의한 평균적인 일조 차단 시간은 봄, 여름, 가을, 겨울철에 대하여 각각 23분, 3분, 8분, 0분이다. 봄철은 일몰 직전에 원거리에 위치한 건물의 영향으로 일조 차단이 가장 많이 발생하였다. 겨울철은 대상기간 동안 일출 직후에 영향을 주는 건물이 없고, 일몰 직전에는 관측지점의 동남쪽에 위치한 인왕산에 의해 건물에 의한 일조 차단 영향이 나타나지 않은 영향으로 분석되었다.

3.2 대구 ASOS (ASOS 143)

대구 ASOS 지점(ASOS 143)에 대해 계절별로 일조시간을 계산하였고, 이를 관측 자료와 비교·분석하였다. 봄철의 일조시간과 일조 차단에 영향을 미치는 건물은 Fig. 10과 같다. 대상기간(4월 2일~4월 8일)중 전운량이 가장 낮은 날(4월 3일, 전운량 = 1.4)에 대해 자세히 분석하였다. 이 날 천문연구원에서 계산한 일출 시간과 일몰 시간은 각각 6시 9분, 18시 48분이다. 일조 모델로 시뮬레이션한 일출 시간과 일몰시간은 각각 6시 10분과 18시 48분으로 천문연구원 계산 결과와 거의 동일하다. 관측된 일조시작 시간은 6시 42분이고, 건물을 고려한 경우에는 6시 40분인 반면, 건물을 고려하지 않은 경우에는 6시 27분이다(Fig. 10a). 관측된 일조끝 시간은 18시 19분이고, 건물을 고려한 경우에는 18시 17분인 반면, 건물을 고려하지 않은 경우에는 18시 32분이다. 건물에 의한 일조 차단 효과로 일조시작 시간이 13분 지연되고, 일조끝 시간이 15분 단축되었다(Table 2). 이는 대구 ASOS 지점의 근거리에 위치한 건물에 의해 일조 차단이 발생했기 때문이다(Fig. 10b). 여름철의 경우, 건물에 의한 일조 차단은 발생하지 않았으나 전운량이 높아서 구름에 의한 일조 차단 비율(53.57%)이 높아서 대상기간 동안 일조 차단 영향에 대한 비교가 매우 어려워 분석에서 제외하였다.

Fig. 10.

(a) The observed and calculated sunshine indices for the period, 2~8 April 2008 at Daegu ASOS and (b) buildings blocking sunshine (indicated by the dotted box) toward Daegu ASOS.

Table 2.

The same as in Table 1 except for Daegu ASOS (ASOS 143).

가을철 대상기간(10월 11일~10월 17일) 중, 전운량(= 0.4)이 가장 낮은 10 월 17 일에 대해 자세히 분석하였다. 이 날 일조 모델로 계산한 일출 시간과 일몰시간은 각각 6시 33분, 17시 47분으로 천문연구원 계산 결과와 일치한다. 관측된 일조시작 시간은 8시 6분이고, 건물을 고려한 경우에는 8시인 반면, 건물을 고려하지 않은 경우에는 7시 12분이다. 관측된 일조끝 시간은 16시 37분이고, 건물을 고려한 경우에는 16시 24분인 반면, 건물을 고려하지 않은 경우에는 16시 56분이다(Fig. 11a). ASOS에 근접한 건물에 의해서 일조시작 시간이 지연되었고 일조끝 시간이 단축되었다(Fig. 11b). 대구 ASOS 지점의 경우, 관측소 고도가 주변 고도와 비슷하고, 주변에 비교적 낮은 주택지가 위치하기 때문에 원거리보다는 근거리에 위치한 건물에 의한 영향이 더 많은 것으로 분석되었다.

Fig. 11.

The same as in Fig. 9 except for 11~17 October 2008.

겨울철 대상기간(1월 2일~1월 8일) 중, 전운량(= 2.1)이 가장 낮고 근거리 건물과 원거리 건물 영향이 나타나는 1월 7일에 대해 분석하였다. 이 날 일조 모델이 계산한 일출 시간과 일몰 시간은 각각 각각 7시 36 분과 17시 26분으로 천문연구원 계산 시간과 일치한다. 관측된 일조시작 시간은 9시 18분이고, 건물을 고려한 경우에는 9시 6분인 반면, 건물을 고려하지 않은 경우에는 8시 40분이다(Fig. 12a). 관측된 일조끝 시간은 15시 43분이고, 건물을 고려한 경우에는 15시 47분인 반면, 건물을 고려하지 않은 경우에는 16시 24분이다. 즉, 일출 직전과 일몰 직후에는 건물에 의한 일조 차단 영향이 ASOS 자료에 반영됨을 확인할 수 있다(Fig. 12a). 일몰 직전에는 남서쪽 약 235 m 지점에 위치한 아파트 단지에 의한 일조 차단이 발생했다(Fig. 12b). 즉, ASOS 지점 인근 지역 건물뿐만 아니라 원거리에 위치한 건물도 ASOS의 일조 관측환경에 영향을 미치며, 관측소의 등급 평가 시에 원거리에 위치한 건물 영향까지도 반영되어야 함을 시사한다.

Fig. 12.

The same as in Fig. 9 except for 2~8 January 2008.

대구 ASOS 지점에 대하여 시간에 따른 태양 고도각·방위각 변화에 따라, 계절별로 다른 지역에 위치한 건물에 의한 일조 차단 현상이 나타남을 확인하였다. 모든 분석기간 동안 전운량이 0이라고 가정하였을 때, 건물에 의한 평균적인 일조 차단 시간은 봄, 여름, 가을, 겨울철에 대하여 각각 14분, 6분, 37분, 21분이다. 가을철은 일출 직후와 일몰 직전에 인접한 건물과 원거리에 위치한 건물의 영향으로 일조 차단이 가장 많이 발생하였고, 여름철은 주로 인접한 건물에 의한 일조 차단으로 건물에 의한 영향이 가장 적게 발생하였다.

Figure 13은 대구 ASOS 지점의 주변에 위치한 고층 건물을 나타낸다. 일출 직후에 일조 관측환경에 영향을 미칠 가능성이 높은 건물(A와 B)은 대구 ASOS 지점에서 약 535 m와 435 m 거리에 위치한다(Fig. 13a). 일몰 직전에 일조 관측환경에 영향을 미칠 가능성이 높은건물은 비교적 근거리(120 m)에 위치한 아파트 단지(C)와 비교적 원거리(235 m)에 위치한 아파트 단지(D)이다(Fig. 13b). Table 3은 고층 건물이 일조 차단에 영향을 미칠 수 있는 최대 고도각과 2008년도에 건물에 의해 일조가 차단된 기간을 나타낸다. 태양 고도각이 최대 고도각보다 낮은 경우, 일조 관측환경에 영향을 미친다. 병원 건물(A와 B)의 경우, 여름철에는 일조 관측환경에 영향을 미치지 않았고, 주로 가을철과 겨울철에 일조 관측환경(일출 직후)에 영향을 미쳤다. A 지점 병원 건물은 3월 7일부터 10일, 10월 5일부터 8일까지 일조를 차단하였고, B 지점 병원 건물은 1월 1일부터 3월 10일, 10월 5일부터 12월 31일까지 일조를 차단하였다. 아파트 단지의 경우, 가을철과 겨울철만 일조 직전에 일조를 차단하였다. C지점 아파트는 사계절에 대해 일조를 차단하지 않았다. 남서쪽으로 약 235 m 거리에 위치한 D 지점 아파트는 1월 1일부터 2월 9일, 11월 4일부터 12월 31일까지 일조를 차단하였다.

Fig. 13.

Buildings blocking sunshine (indicated by the inner box) toward Daegu ASOS.

Table 3.

The time periods in which blocking of sunshine duration occurs by the A, B, C, and D buildings in Fig. 12.