[ Article ]

Atmosphere - Vol. 25, No. 3, pp.473-482

ISSN: 1598-3560 (Print) 2288-3266 (Online)

Print publication date Sep 2015

Received 25 Mar 2015 Revised 16 Jun 2015 Accepted 16 Jun 2015

DOI: https://doi.org/10.14191/Atmos.2015.25.3.473

CFD 모델을 이용한 체승 도시협곡의 흐름과 반응성 대기오염물질 확산 특성 연구

김은령¹⁾ ; 박록진²⁾ ; 이대근³⁾ ; 김재진¹⁾^{, *}

1)부경대학교 환경대기과학과
2)서울대학교 지구환경과학부
3)국립기상과학원 응용기상연구과

A Study on the Characteristics of Flow and Reactive Pollutants’ Dispersion in Step-up Street Canyons Using a CFD Model

Eun-Ryoung Kim¹⁾ ; Rokjin J. Park²⁾ ; Dae-Geun Lee³⁾ ; Jae-Jin Kim¹⁾^{, *}

1)Department of Environmental Atmospheric Sciences, Pukyong National University, Busan, Korea
2)School of Earth and Environmental Sciences, Seoul National University, Seoul, Korea
3)Applied Meteorology Research Division, National Institute of Meteorological Research, Jeju, Korea

Correspondence to: ^* Jae-Jin Kim, Department of Environmental Atmospheric Sciences, Pukyong National University, 599-1, Daeyeon 3-dong, Nam-gu, Busan 608-737, Korea. Phone : +82-51-629-6645, Fax : +82-51-629-6638 E-mail : jjkim@pknu.ac.kr

Abstract

In this study, street canyons with a higher downwind building (so called, step-up street canyons) are considered for understanding characteristics of flow and reactive pollutants’ dispersion as a basic step to understand the characteristics in wider urban areas. This study used a CFD_NIMR_SNU coupled to a chemistry module just including simple NO_X-O₃ photochemical reactions. First, flow characteristics are analyzed in step-up street canyons with four aspect ratios (0.33, 0.47, 0.6, 0.73) defined as ratios of upwind building heights to downwind building height. The CFD_NIMR_SNU reproduced very well the main features (that is, vortices in the street canyons) which appeared in the wind-tunnel experiment. Wind speed within the street canyons became weak as the aspect ratio increased, because volume of flow incoming over the upwind building decreased. For each step-up street canyon, chemistry transport model was integrated up to 3600 s with the time step of 0.5 s. The distribution patterns of NO_X and O₃ were largely dependent on the mean flow patterns, however, NO_X and O₃ concentrations were partly affected by photochemical reactions. O₃ concentration near the upwind lower region of the street canyons was much lower than background concentration, because there was much reduction in O₃ concentration due to NO titration there. Total amount of NO_X in the street canyons increased with the aspect ratio, resulting from the decrease of mean wind intensity.

Keywords:

Step-up street canyon, flow characteristics, reactive pollutants’ dispersion, CFD model, wind-tunnel experiment

1. 서 론

최근 수십 년간, 도시화와 산업화가 진행됨에 따라 대도시가 발달하면서 도시의 인구 밀도가 증가하였고 토지가 집약적으로 이용되고 있다. 자동차와 공업 시설은 도시 지역 대기오염의 주된 배출원으로 간주되고, 도시화로 인한 환경오염문제가 꾸준히 제기되어 왔다(Han et al., 2006; Lee et al., 2012). 1998년부터 2010년 기간의 배출량 연도별 변화 경향을 보면, 자동차 등이 주요 배출원인 질소산화물(NO_X)이나 휘발성유기탄소(VOC_S), 미세먼지(PM) 등과 같은 높은 반응성의 물질들이 꾸준히 증가하다가 큰 변화 없이 일정한 수준을 유지하는 추세이다. 그러나 2011년 서울특별시와 인천광역시의 대기환경측정소 중 각각 64%(25개소 중 16개소, 14개소 중 9개소) 지점에서 이산화질소(NO₂) 24시간 환경기준을 초과하는 것으로 조사되었으며, OECD 회원국의 주요 도시와 비교하였을 때, 수도권 지역의 NO₂ 농도는 약 1.7배로 심각한 수준이다(Jang et al., 2011). 특히, NO_X나 VOC_S와 같이 높은 반응성을 가진 물질들은 광화학 반응을 통해 오존(O₃)이나 에어로졸과 같은 유독한 2차 대기오염물질을 생성한다(Sillman, 1999; Weschler, 2006; Lee et al., 2013). NO₂의 광분해에 의해 생성되는 발생기 산소는 공기 중 산소와 반응하여 O₃을 생성한다. 이 O₃은 공기 중의 탄화수소와 반응하여 시정 거리를 악화시키고 호흡기 질환 등을 가져오는 광화학 스모그를 발생시킨다. O₃은 그 농도가 일정 수준 이상으로 높아지면 눈에 자극을 주거나 폐 기능 저하를 가져오는 등 인간의 건강과 환경에 심각한 악영향을 끼친다. NO₂가 공기 중 수증기와 반응하게 되면 식물의 성장을 저해하고 건축물을 부식시키는 산성비의 원인이되기도 한다(Shin et al., 1996; Nyberg et al., 2000; Lin et al., 2008; Baek and Jeon, 2013).

도시화는 도시 지역의 건물 높이와 밀도를 증가시켜 왔다. 이에 따라 건물과 건물 사이의 공간을 일컫는 도시협곡이 늘어났다. 체승(step-up) 도시협곡이란 도시협곡을 이루는 풍상측 건물보다 풍하측 건물이 높은 도시협곡을 이르는 용어로써 도시 지역에서 매우 흔히 나타날 수 있는 구조이다. 도시협곡에서는 배경 대기의 조건, 건물 높이, 너비와 도로 너비의 비에 따라 다양하고 복잡한 흐름 패턴이 나타날 수 있다(Oke, 1988; Jeong and Park, 1999). 도시협곡 소용돌이는 인체 건강에 악영향을 미치는 대기오염물질들을 도시 협곡 내에 가두는 역할을 할 수 있다. 따라서 도시협곡 내 대기오염물질의 이동과 확산을 이해하기 위해서는 도시협곡 형태에 따른 흐름 특성을 조사하는 것이 매우 중요하다. Baik et al. (2000)은 CFD 모델을 이용하여 2차원 체승 도시협곡 내 흐름 특성에 관하여 연구한 바 있으며, Kim and Baik (2004)과 Salizzoni et al. (2009)은 CFD 모델을 이용하여 2차원 도시협곡 내 흐름과 확산 특성에 관하여 연구를 진행하였다. 또한, Chan and Leach (2007)과 Wood et al. (2009)는 복잡한 도시지역을 대상으로 비반응성 오염 물질의 분산에 관한 실험을 수행하였다.

본 연구에서는 기상연구소와 서울대학교가 공동으로 개발한 전산유체역학 모델(CFD_NIMR_SNU)에 NO_X 순환 광화학 반응 모듈을 접합하였다. 이 접합모델을 이용하여 체승 도시협곡에서 배출된 NO_X와 2차 대기오염물질인 O₃의 확산 특성을 분석하였다.

2. 수치 실험 방법

2.1 수치 모델

본 연구에서는 NO_X 순환 광화학 반응 모듈을 개발하여 기상연구소와 서울대학교가 공동으로 개발한 전산유체역학 모델(CFD_NIMR_SNU)과 접합하였다. 접합 모델을 이용하여 체승(step-up) 도시협곡에서 체승비(step-up ratio)에 따른 대기오염물질 확산 특성을 분석하였다. CFD_NIMR_SNU는 Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) 방정식에 기초한 지배방정식계를 가정한다. 난류 매개화를 위하여 표준 k-ε 난류 종결방안이 사용되었다. 지배방정식 계의 수치해는 유한체적법(finite volume method)과 SIMPLE (semiimplicit method for pressure linked equation) 알고리즘을 이용하여 엇갈림(staggered) 격자 체계에서 풀이된다.

체승 도시협곡에서 NO_X 배출에 따른 NO_X 순환 광화학 반응을 모의하기 위하여, 미국 하버드 대학교에서 개발한 3차원 전지구 화학 모델(GEOS-Chem)로부터 NO_X 순환 광화학 반응 모듈을 이식하여 CFD_NIMR_SNU와 접합하였다. 화학 반응은 정확하고 효율적인 방법으로 알려져 있는 Sparse Matrix Vectorized Gear Code(SMVGEAR) solver를 사용하여 계산된다. 광화학 반응 계수는 Wild et al. (2000)이 개발한 Fast-J 알고리즘을 이용하여 계산한다. 본 연구에서 사용한CFD_NIMR_SNU는 물리 과정을 포함하지 않기 때문에 건식 침적 과정만을 고려하고 NO_X 순환 광화학 반응 모듈은 NO_X와 O₃ 사이의 광화학 반응을 모의할 수 있다.

2.2 실험 설정

본 연구에서는 CFD_NIMR_SNU를 이용하여 체승 도시협곡에서 모의한 흐름장을 Addepalli and Pardyjak (2013)의 풍동 실험 결과와 비교하고 CFD_NIMR_SNU의 체승 도시협곡 흐름 재현 성능을 분석하였다. 이 흐름장을 이용하고 도시협곡 바닥에서 NO_X가 배출된다는 가정하에 체승 도시협곡에서 광화학 반응에 의한 대기오염물질 확산 특성을 분석하였다. 이를 위하여 Fig. 1과 같은 체승 도시협곡을 고려하였다. 체승 도시협곡은 풍상측 건물보다 풍하측 건물이 높은 도시협곡을 의미한다. 격자 개수는 x, y, z 방향으로 각각 180개, 110개, 90개이고 격자 간격은 3.2 m이다. 수치 도면 중앙에 두 개의 건물이 위치하여 협곡을 형성한다. 풍하측 건물 높이(H_d)를 96 m로 고정하고, 풍상측 건물 높이(H_d)를 32 m부터 70.4 m까지 12.8 m 간격으로 체계적으로 변화시키며 네 가지 경우를 설정하였다. 건물 너비(W_b), 건물 길이(L), 도시협곡 너비(S)는 32 m로 일정하다(Fig. 1).

바람(U, V, W), 난류운동에너지(k)와 난류운동에너지의 소멸율(ε)에 대한 초기 조건은 Castro and Apsley (1997)가 제시한 다음의 연직 분포를 사용하였다.

U z = U * k l n z z 0,

(1)

V z = 0,

(2)

W z = 0,

(3)

k z = 1 C μ 1 / 2 U * 2 1 - z δ 2,

(4)

ε z = C μ 3 / 4 k 3 / 2 k z,

(5)

여기서, U_*, z₀, κ, δ는 각각 마찰속도, 거칠기 길이(0.15 m), von Karman 상수(0.4), 경계층 길이(1000 m)를 나타낸다. 표준 k-ε 난류종결방안에서의 경험적 상수, Cμ는 0.09이다.

본 연구에서는 체승 도시협곡을 관통하는 도로를 가정하였고, 대기오염물질은 너비 32 m 도로면에서 배출된다고 가정하였다. 배출원에서는 NO_X가 각 격자 중심에서 100 ppb s⁻¹의 배출률로 배출된다고 가정하였고, NO와 NO₂의 배출량 비를 10대 1로 설정하였다. O₃의 배경농도는 40 ppb이다(Park et al., 2015). CFD_NIMR_SNU는 3600초 동안 0.5초 간격으로 적분되었다. 3600초까지 시뮬레이션한 바람장을 이용하여 NO_X 순환 광화학 반응을 고려한 확산 모델을 적분하였다. 확산 모델은 0.5초 간격으로 3600초까지 적분하였다.

Fig. 1.

Building configuration considered in this study.

Fig. 2.

Streamlines and contours of vertical wind component for wind tunnel experiments by Addepalli and Pardyjak (2013) (left panel) and numerical simulations in this study(right panel) in the cases with the aspect ratio (Hu/Hd) of 0.33 [(a) and (b)] and 0.6 [(c) and (d)]. Vertical wind component is normalized by the horizontal wind speed (UHd) at z = Hd.

3. 결과와 토의

3.1 풍동 실험 재현

풍하측 건물 높이에 대한 풍상측 건물 높이의 비(H_u/H_d)로 정의되는 체승비가 0.33인 경우와 0.6인 경우에 대하여, Addepalli and Pardyjak (2013)의 풍동 실험 결과와 CFD_NIMR_SNU 모델 결과를 비교하였다. Figure 2는 y/S = 0에서 유선 분포와 연직 성분 속도 분포를 나타낸다. 풍동 실험과의 비교를 위하여, 연직 성분 속도는 풍하측 건물 높이에서의 유입류 풍속(U_hd)을 이용하여 무차원화(W/U_hd)하였다. 체승비가 0.33인 경우, 풍동 실험에서는 뚜렷하지는 않지만 유입류가 풍상측 건물에 부딪힌 후, 지붕 위에서 흐름 분리가 일어나고 상승 후 하강하는 것을 볼 수 있다. 또한, 풍하측 건물에 부딪힌 흐름은 정체점(stagnation point) 아래로 하강하면서 협곡 내부로 유입된다(Fig. 2a). 유입된 흐름 중 일부는 풍상측에서 상승하면서 시계방향으로 회전하는 소용돌이를 형성한다. 정체점 위로 상승한 흐름은 풍하측 건물을 따라 상승하다가 풍하측 건물을 넘어 간다. 이 흐름은 풍하측 건물 모서리 부근에서 분리되면서 풍하측 건물 지붕에 시계방향으로 회전하는 재순환 영역(recirculation zone)을 형성한다. 뚜렷하지는 않지만, 도시협곡 풍하측 바닥 근처에도 작은 소용돌이가 형성됨을 볼 수 있다. 수치실험 결과를 보면, Addepalli and Pardyjak (2013)과 마찬가지로 도시협곡 내에서는 풍하측 건물 부근에서 정체점 아래로는 하강 기류가 나타나고 정체점 위로는 상승 기류가 나타났다(Fig. 2b). 또한, 도시협곡 내부에서 시계방향으로 회전하는 소용돌이를 잘 재현함을 볼 수 있다. 반면, CFD_NIMR_SNU는 흐름 분리가 일어나는 건물의 풍상측 모서리 부근에서 상승 기류를 다소 약하게 모의하면서 건물 지붕 고도의 재순환 영역을 모의하지 못했고, 도시협곡 풍하측 바닥 근처의 작은 소용돌이도 모의하지 못했다. 체승비가 0.6인 경우를 보면, 건물 지붕 위에 재순환 영역이 형성되고, 풍하측 건물 벽면의 정체점 아래로 하강 기류가, 위로는 상승 기류가 형성된다는 점은 체승비가 0.33인 경우와 매우 유사하다. 그러나 체승비가 0.33인 경우와 달리 도시협곡 내부에서는 같은 방향(시계방향)으로 회전하는 두 개의 소용돌이가 형성되었다. 이 결과는 2차원 체승 도시협곡에 대한 Baik et al. (2000)의 결과와 다르다는 점에서 주목할 만하다. Baik et al. (2000)은 2차원 체승 도시협곡에 대한 수조 실험과 수치 실험을 수행하였는데, 도시협곡 내에서는 서로 다른 방향으로 회전하는 두 개의 소용돌이가 형성된다고 보고한 바 있다. Kim and Kim (2009)은 풍상측과 풍하측 건물 높이가 같고 도시협곡 너비에 비해 건물 높이가 큰 3차원 도시협곡에서는 서로 다른 방향으로 회전하는 두 개의 소용돌이가 형성된다고 보고한 바 있다. 체승 도시협곡에서 같은 방향으로 회전하는 두 개의 소용돌이가 형성된 것은 풍하측 건물 부근의 하강 기류와 연관된 것으로 판단된다. 풍하측 건물 벽면에 부딪힌 흐름은 정체점 아래로 하강하는데, 비교적 강하게 하강하는 흐름이 도시협곡 바닥 부근까지 나타나면서, 시계방향으로 회전하는 하층 소용돌이를 형성한다. CFD_NIMR_SNU는 건물 지붕 위의 재순환 영역을 수치 모의하지 못했지만, 두 개의 시계방향으로 회전하는 소용돌이를 잘 재현하였다. 이상에서 본 바와 같이, CFD_NIMR_SNU는 체승 도시협곡의 평균 흐름장에 대한 Addepalli and Pardyjak (2013)의 풍동 실험 결과를 매우 잘 재현하였고, 따라서, 체승 도시협곡의 흐름을 수치 모의하고 흐름 특성을 파악하는 데 적절한 것으로 판단된다.

Fig. 3.

Streamlines and contours of vertical wind component simulated in this study in the cases with the aspect ratio (Hu/Hd) of (a) 0.47 and (b) 0.73. Vertical wind component is normalized by the horizontal wind speed (UHd) at z = Hd.

3.2 바람장 특성

본 연구에서는 3.1절에서 살펴본 두 경우를 포함한 4가지 체승비(0.33, 0.47, 0.6, 0.73)에 대해 수치 실험을 수행하였다. Figure 3은 체승비가 0.47과 0.73인 경우의 유선 분포와 연직 성분 속도 분포를 나타낸다. 풍상측 건물 높이가 가장 낮은 경우(체승비 = 0.33)를 제외한 모든 도시협곡에서 시계방향으로 회전하는 2개의 소용돌이가 형성되었다. 소용돌이 중심은 풍상측 건물 부근에 치우쳐 나타남을 확인할 수 있다. 풍상측 건물이 높아질수록 상부 소용돌이와 하부 소용돌이가 멀어지는 것을 볼 수 있다. 상층 소용돌이는 풍상측 건물 지붕 고도의 수평 바람이 불 때, 도시협곡 풍상측 지붕 고도에 생기는 압력 하강을 보상하고 질량 보존을 만족시키기 위해 발생하는 상승 운동에 의해 유도된다(Baik and Kim, 1999). 하층 소용돌이는, 3.1절에서 언급한 바와 같이, 풍하측 건물을 따라 하강하는 흐름에 의해 형성된다. 이 두 개의 소용돌이는 풍상측 건물이 상대적으로 높을 때에는 도시협곡 상부와 하부에 따로 형성되지만, 풍상측 건물이 낮아지면서 병합됨을 알 수 있다(Figs. 2 and 3). 뚜렷하게 형성되지는 않았지만, 도시협곡 풍하측 바닥 근처에서는 풍상측 건물이 높아지면서, 반시계 방향으로 회전하는 소용돌이가 형성되는 것을 볼 수 있다.

Figure 4a는 지면으로부터 풍상측 건물 높이까지의 도시협곡에서 각 바람 성분의 크기(|U|, |V|, |W|)와 풍속(wind speed)을 평균한 것이다. 체승비가 증가할수록 도시협곡 내 평균 풍속이 감소하는 경향을 보인다. 풍상측 지붕 고도와 정체점 사이에서 풍하측 건물로 유입되는 흐름이 도시협곡 내부로 유입된다. 체승비가 증가하면서 풍하측 건물 벽면의 정체점 높이가 다소 증가하였지만, 정체점 높이의 증가보다 풍상측 건물 높이 증가가 더 크다(Fig. 4b). 따라서, 풍상측 건물이 증가함에 따라 도시협곡 내부로 유입되는 흐름의 부피는 감소하게 된다. 즉, 질량 보존의 관점에서 볼 때, 풍상측 건물 높이가 증가하면서 도시협곡 내부로 유입되는 흐름의 운동량은 감소하기 때문에 평균 풍속도 감소하게 된다. Figure 5는 도시협곡 내에서 각 고도에서 수평 평균한 풍속을 나타낸다. 체승비가 0.33인 경우를 제외하고는 2개의 풍속 극소값이 나타났다. 고도별로 평균하였기 때문에, 극소값이 나타난 고도와 소용돌이 중심 고도는 일치하지 않았다. 하부의 풍속 극소값은 일정한 고도(z/S = 0.3)에서 나타나며, 상부 풍속 극소값은 체승비가 0.33일 때에는 나타나지 않았고 체승비가 증가하면서 점차 상층에서 나타난다. 체승비가 증가함에 따라 도시협곡으로 유입되는 운동량이 감소하면서 고도별 풍속이 감소한 것을 확인할 수 있다. Figures 6a와 b는 지면 근처(z/S = 0.05)에서의 바람 벡터를 나타낸다. 도시 협곡으로 유입된 흐름은 하층에서 유입류와 반대 방향의 흐름을 형성한다. 체승비가 0.33인 경우보다 체승비가 0.73인 경우의 풍속이 감소하였고, 역류(reverse flow)가 나타나는 영역도 더 좁은 것을 확인할 수 있다(Figs. 6a and b). 하층에서 형성된 역류는 풍상측 건물에 부딪혀 풍상측 건물을 따라 상승한다(Figs. 6c and d). 체승비가 0.33인 경우에 도시협곡 중심 부근의 흐름은 풍상측 건물 높이(z/S = 1) 부근까지 상승한다(Fig. 6c). 반면, 체승비가 0.73인 경우에는 일정 높이(z/S ≈ 0.8)까지 상승류가 나타나지만, 도시협곡 상층으로 부터의 하강류를 만나면서 도시협곡 외부를 향해 흐르는 것을 확인할 수 있다. 도시협곡 가장자리 부근에서는 풍상측 건물 지붕 고도까지 상승류가 나타난다. 이와 같은 풍상측 건물 부근의 분포 차이는 체승비가 큰 경우에 상층에 형성된 소용돌이에 기인하는 것이다.

앞에서 살펴본 바와 같이, CFD_NIMR_SNU는 Addepalli and Pardyjak (2013)의 풍동 실험 결과를 매우 현실적으로 재현하였다. 체승비가 증가함에 따라, 체승 도시협곡으로 유입되는 흐름이 감소하였고 외부로부터 유입되는 운동량이 감소하면서 도시협곡 내 소용돌이의 강도가 감소하였다.

Fig. 4.

(a) Wind components (|U|, |V|, |W|) and horizontal wind speed (U2+V2) averaged over the street canyons and (b) height of stagnation point and upwind building (z/S).

Fig. 5.

Vertical profiles of wind speed averaged over the x-y plane at each height.

3.3 반응성 대기오염물질 확산 특성

체승 도시협곡에서 NO_X 배출에 따른 NO_X 순환 광화학 반응을 고려하여 반응성 대기오염물질 분포 특성을 분석하였다. Figure 7은 도시협곡 중앙(y/S = 0)에서의 대기오염물질 농도 분포를 나타낸다. NO_X를 포함하지 않은 외부 공기가 유입되는 지역(도시협곡 풍하측 상층)에서는 NO_X 농도가 거의 나타나지 않았다(Figs. 7a~d). 체승비가 0.33인 경우, 도시협곡 역류에 의해 NO가 풍상측 건물 부근으로 수송되면서, 지면 근처에서는 160 ppb 이상의 높은 NO 농도가 나타났다. NO는 풍상측 건물을 따라 상승하여 풍상측 건물 높이까지 수송되며, 도시협곡 내에서 형성된 소용돌이 흐름을 따라 풍하측 건물 쪽으로 수송된다(Fig. 7a). 체승비가 0.73인 경우에도 NO는 도시협곡 바닥과 풍상측 건물을 따라 높은 농도가 나타난다(Fig. 7b). 그러나, 상하로 분리된 두 개의 소용돌이가 나타나기 때문에, NO는 주로 하층 소용돌이 내에 잔류하고 상층 소용돌이가 나타나는 지역에는 상층으로부터 비교적 낮은 농도를 갖는 흐름이 유입(Fig. 6d)되면서 낮은 농도가 나타남을 볼 수 있다. 하층 소용돌이가 위치한 지역에서는 110 ppb 이상의 고농도가 나타나는 반면, 상층 소용돌이가 위치한 지역에서는 10 ppb 정도의 비교적 낮은 NO 농도가 나타났다. NO₂는 NO와 일정한 비율로 같은 오염원에서 배출되기 때문에 그 농도 분포 패턴은 NO와 매우 유사하다. 그러나 상하층 간 농도 차이는 NO₂가 NO에 비해 작은 것을 볼 수 있는데, 이는 NO₂가 NO에 의한 O₃의 적정반응에서 생성되기 때문이다. 본 연구에서는 O₃의 배경 농도가 40 ppb인 유입류를 가정하였다. 따라서, O₃의 농도는 풍하측 건물을 따라 도시협곡으로 유입될 때 까지는 높지만, 도시협곡 바닥을 지나면서 NO에 의한 적정반응을 거치면서 낮아진다(Figs. 7e and f). 이 결과로 O₃의 농도 분포는 NO와 정반대로 나타났다. 체승비가 0.33인 경우, 고농도의 NO가 나타난 풍상측 건물 부근에서 O₃ 농도는 15 ppb 이하로 나타났다. 체승비가 0.73인 경우, 하층에서는 체승비가 0.33인 경우와 비슷한 농도가 나타났지만 상층에서는 비교적 높은 O₃ 농도(35 ppb 이하)가 나타났다.

Fig. 6.

Wind vectors at z/S = 0.05 [(a) and (b)] and at x/S = −0.45 [(c) and (d)] in the cases with the aspect ratio of 0.33 (left panel) and 0.73 (right panel).

Fig. 7.

Contours of NO [(a) and (b)], NO2 [(c) and (d)], and O3 [(e) and (f)] concentrations at y/S = 0 in the cases with the aspect ratio of 0.33 (left panel) and 0.73 (right panel).

Figure 8은 도시협곡 가장자리(y/S = −0.45)에서의 농도 분포를 나타낸다. 도시협곡 중앙 부근(Fig. 7)과 비교하였을 때, NO_X가 풍하측 지역으로 더 확장되어 나타났고, 이에 따라 O₃의 NO에 의한 적정이 일어나는 지역이 풍하측 지역으로 더 확장되는 것을 확인할 수 있다. 도시협곡 중앙 부근의 하층에서는 역류가 우세하게 나타나기 때문에 풍하측 방향으로의 NO_X 수송은 억제된다. 풍상측으로 수송된 NO_X는 풍상측 건물을 따라 상층으로 수송되거나 도시협곡 가장자리로 수송되고(Fig. 6), 도시협곡 가장자리에서는 유입류와 같은 방향의 흐름에 의해 풍하측으로 수송된다. 이와 같이, 도시협곡 내의 흐름 패턴이 도시협곡 중앙 부근과 가장자리의 NO_X와 O₃의 분포 패턴에 영향을 미침을 알 수 있다. 분포형태는 대체로 도시협곡 중앙 부근과 유사하지만, 체승비가 0.73일 때, 상층에 NO_X의 고농도 지역이 존재하고 O₃의 저농도 지역이 존재한다는 차이가 나타난다. 도시협곡 가장자리에는 상층 소용돌이가 나타나지 않았다(Fig. 6d). 따라서, 하층으로부터 수송된 높은 NO_X 농도를 갖는 흐름과 외부의 낮은 NO_X 농도를 갖는 흐름이 혼합되지 않으면서 NO_X의 고농도 지역이 분포하는 것으로 판단된다.

Figure 9는 도시협곡 바닥 근처(z/S = 0.05)에서의 농도 분포이다. 외부로부터 도시협곡으로 흐름이 유입되는 풍하측 건물 부근에서 NO_X 농도는 낮고 O₃ 농도는 높게 나타났다. 하층의 흐름 패턴(Figs. 6a and b)을 따라 NO_X와 O₃이 방사형으로 수송되면서, NO_X(O₃) 농도는 풍하측 저(고)농도 지역으로부터 멀어지면서 농도가 증가(감소)하는 분포 패턴이 나타났다. 체승비가 0.33인 경우보다 0.73인 경우에 흐름의 강도가 약하기 때문에, 수송 범위가 좁게 나타남을 확인할 수 있다. 도시협곡과 인근 지역 하층의 O₃ 농도는 NO의 적정 반응으로 인해, 배경 농도보다 낮게 나타난다는 사실에 주목할 만하다. 현재 활용 중인 대기질 예측 모델의 대다수는 수 km 이상의 공간 해상도를 갖고 있다. 수 km의 공간 해상도는 도시 지역 대기오염물질에 대한 배경 농도 정보만을 제공할 수 있기 때문에, 본 연구 결과는 대기질 모델로 예측된 결과가 실제 도시에서 보행자 고도의 관측 결과와 큰 차이를 나타낼 수 있다는 것을 시사한다.

Figure 10은 협곡 내 풍상측 건물 부근(x/S = −0.45) 에서 농도 분포를 나타낸 것이다. 체승비가 0.33인 경우, NO_X가 도시협곡 바닥으로부터 풍상측 건물면을 따라 상층으로 수송되면서 바닥 근처에 높은 농도가 나타나고 상층으로 갈수록 농도가 감소한 것을 볼 수 있다(Figs. 10a and c). O₃은 NO에 의한 적정 반응으로 인해 배경 농도에 비해 낮은 농도가 나타났고, 하층에 비해 상층의 농도가 다소 높게 나타남을 확인할수 있다(Fig. 10e). 도시협곡 중앙 부근의 NO_X 농도가 가장자리보다 낮게 나타나는데, 이는 도시협곡 내에서 형성된 소용돌이의 분포 형태와 매우 밀접한 관계가 있다. Kim and Baik (2004)에 따르면, 도시협곡에서는 포탈(portal) 모양의 소용돌이가 형성되고 포탈 소용돌이의 양 끝은 도시협곡 바닥의 양쪽 가장자리에서 접지하는 형태를 나타낸다. 따라서, 도시협곡 바닥에서 배출되는 NO_X가 포탈소용돌이를 따라 상층으로 수송되면서 높은 농도가 나타난 것으로 판단된다. 도시협곡 중앙 부근에서는 비교적 낮은 농도의 NO_X를 포함한 공기가 유입되면서 낮은 농도가 나타난 것으로 판단된다. 체승비가 0.73인 경우, 하층(z/S ≲ 1.3)의 NO_X와 O₃ 농도 분포는 체승비가 0.33인 경우와 유사하다. 상층부의 NO_X(O₃) 농도는 하층부에 비해 매우 낮(높)게 나타나는데, 이는, 앞에서 설명한 바와 같이, 지붕 고도에서 흐름 분리에 의한 소용돌이 형성과 관계된다. 상하로 분리된 두 개의 소용돌이가 형성되고 두 소용돌이 사이에서는 평균 흐름에 의한 NO_X와 O₃의 교환이 잘 일어나지 않는다. 상하 소용돌이 간 NO_X와 O₃의 교환은 도시협곡 가장자리에서 부분적으로 일어나게 되면서 상층에서는 낮은 NO_X 농도와 높은 O₃ 농도가 나타난 것으로 판단된다.

Figure 11a는 도시협곡(도시협곡 바닥으로부터 풍상측 건물 높이까지의 영역)에서 평균한 NO_X, O₃ 농도를 나타낸다. 체승비가 증가함에 따라 도시협곡 내 평균 풍속이 감소함을 앞에서 언급하였는데, 풍속이 감소하면 NO_X의 외부로의 수송이 감소해서 평균 농도는 증가해야 한다. 그러나 체승비가 증가함에 따라 NO_X 평균 농도는 감소하고, O₃ 평균 농도는 증가하였다. 이와 같이 나타난 NO_X 평균 농도 변화 경향의 원인을 조사하기 위하여, 도시협곡 내에 존재하는 NO_X와 O₃의 총량을 조사하였다(Fig. 11b). 체승비가 증가함에 따라 도시협곡 내에 잔존하는 NO_X와 O₃의 총량은 증가함을 볼 수 있다. NO_X(O₃)의 경우, 도시협곡 바닥 근처에서는 체승비가 클 때, 농도가 높(낮)지만, 농도가 낮(높)은 상층부의 부피가 증가하면서 평균 농도는 감소(증가)하였고 도시협곡에 잔존하는 총량은 증가(감소)함을 알 수 있다.

Fig. 8.

The same as in Fig. 7 except for y/S = −0.45.

Fig. 9.

The same as in Fig. 7 except for z/S = 0.05.

Fig. 10.

The same as in Fig. 7 except for x/S = −0.45.

Fig. 11.

(a) Average NOX and O3 concentrations (b) total amount of NOX and O3 in the step-up street canyons.

4. 요약 및 결론

본 연구에서는 체승(step-up) 도시협곡 내 흐름과 반응성 대기오염물질의 확산 특성을 이해하기 위하여 NO_X 순환 광화학 반응 모듈을 접합한 전산유체역학(CFD_NIMR_SNU) 모델을 이용하였다. 풍하측 건물 높이, 건물 너비, 도시협곡 너비를 일정하게 설정하고, 풍상측 건물 높이를 체계적으로 변화시켜 4가지 체승비(풍하측 건물 높이에 대한 풍상측 건물의 높이비)를 갖는 체승 도시협곡을 고려하였다.

체승 도시협곡에 대한 선행 풍동 실험 결과와 비교하여 전산유체역학 모델의 체승 도시협곡 흐름장 재현 능력 평가를 먼저 수행하였다. 건물 지붕 위의 재순환 영역을 부분적으로 수치 모의하지 못했지만, 본 연구에서 사용한 전산유체역학 모델은 선행된 풍동 실험 결과를 매우 현실적으로 재현하였다. 기존의 2차원 체승 도시협곡에 대한 수조 실험이나 수치 실험 결과에서는 서로 다른 방향으로 회전하는 두 개의 소용돌이가 형성되었으나, 선행된 풍동 실험과 본 연구에서는 풍상측 건물이 일정 고도보다 높은 경우에 서로 같은 방향으로 회전하는 두 개의 소용돌이가 형성되었다. 풍상측 건물이 높아질수록 풍하측 건물에 형성된 정체점 높이도 다소 증가하였다. 그러나 도시협곡으로 유입되는 유량이 감소하면서 도시협곡 내의 평균 풍속은 감소하였다. 도시협곡 내에서 배출된 NO_X와 외부로부터 유입되는 O₃의 확산 특성을 분석하였다. 대기오염물질의 대기 중 반응에도 불구하고, 분포 패턴은 주로 평균 바람장에 의존하였다. NO_X 농도는 도시협곡 하층의 풍상측 건물 부근에서 가장 높게 나타났으며, 체승비가 증가함에 따라 평균 풍속이 감소하면서 NO_X의 총량은 증가하였으나, 평균 농도는 감소하였다. O₃ 농도 분포의 경우, NO와의 적정 반응때문에 NO_X 농도가 높은 도시협곡 하층의 풍상측 건물 부근에서 가장 낮게 나타나는 등 NO_X 농도 분포와 반대의 경향을 나타냈다. 현재 활용 중인 대기질 예측 모델의 대다수는 수 km 이상의 공간 해상도를 갖고 있다. 수 km의 공간 해상도는 도시 지역 대기오염물질에 대한 배경 농도 정보만을 제공할 수 있다. 그러나 O₃과 같은 2차 대기오염물질은 자동차로부터 배출되는 NO_X와 같은 전구물질(precursor)의 배출에 따라 배경 농도와 큰 차이가 나타날 수 있다. 따라서, 대기질 예측을 통해 보다 효과적이고 실효적으로 정보를 제공하기 위해서는 매우 작은 규모(건물 규모)의 대기현상까지를 고려할 수 있는 방안이 필요하다.

Acknowledgments

본 논문의 개선을 위해 좋은 의견을 제시해 주신 두 분의 심사위원께 감사를 드립니다. 이 연구는 기상청 국립기상과학원 “차세대 도시농림 융합스마트 기상서비스 개발”의 지원으로 수행되었습니다.

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