연구성과물검색
유형별/분류별 연구성과물 검색
HOME ICON HOME > 연구과제 검색 > 연구과제 상세정보
s

연구과제 상세정보

도시형태와 미세먼지 분포의 상관성 연구
Effects of Urban Form on Particulate Matters
  • 연구자가 한국연구재단 연구지원시스템에 직접 입력한 정보입니다.
사업명 융합연구 [지원년도 신청 요강 보기 지원년도 신청요강 한글파일 지원년도 신청요강 PDF파일 ]
연구과제번호 2019-S1A5A2A03-2019S1A5A2A03049104
선정년도 2019 년
연구기간 3 년 6 개월 (2019년 07월 01일 ~ 2022년 12월 31일)
연구책임자 김진오
연구수행기관 경희대학교& #40;국제캠퍼스& #41;
과제진행현황 진행중
공동연구원 현황 강상준(강릉원주대학교)
최진무(경희대학교)
유창규(경희대학교)
조영민(경희대학교)
이태정(경희대학교)
과제신청시 연구개요
  • 연구목표
  • ○ 도시의 물리적 구성요소, 즉 도시형태(urban form)의 변화는 미세먼지를 포함한 대기환경에 영향을 미치는 매우 중요한 요소로 인식되고 있으며(Sun et al. 2016) 최근 들어 중국, 미국, 유럽 등 많은 국가들이 도시형태 구성요소와 미세먼지의 상관성 및 대응방안에 대해 다양한 연구를 수행해오고 있다(Liu et al. 2018; Mou et al. 2018; Sun et al. 2016). 우리나라도 그동안 도시공간 구조와 대기오염에 대한 연구가 일부 진행되었으나, 대기 오염물질의 경우 주로 NO2, SO2, CO 등에 초점을 맞추어 왔으며 용도지역과 에너지 이용, 건축물 중심의 도시개발 밀도 측면에서만 일부 연구가 진행되어 왔다(유희선 외 2016; 오규식 외 2005).
    ○ 본 연구는 도시형태가 미세먼지 확산패턴과 어떠한 상관성을 갖는지에 대한 탐구에 초점을 두고 있으며 이를 위해 도시계획과 대기과학 융합 연구팀을 결성하여 다음의 3가지 목표를 설정하여 3년간 수행하고자 한다. 첫째, 도시형태의 구성요소들 중 미세먼지 취약성과 중요하게 연계되는 지표를 개발 및 검증한다. 둘째, 도시형태 유형별 토지피복도의 시계열적 변화와 미세먼지 확산 변화 분석을 통해 상관성을 규명한다. 셋째, 미세먼지에 취약한 도시형태 유형별 사례도시를 선정하여 도시기본계획을 토대로 다양한 토지이용 시나리오를 개발하고 모델링과 빅데이터 분석을 통해 각 도시별 미세먼지 확산 취약성을 분석한다.
  • 기대효과
  • ○ 본 연구를 통해 기대할 수 있는 효과는 첫째, 미세먼지 확산이 대기 오염원 뿐만 아니라 토지이용 및 도시계획 차원에서도 중요하게 검토될 수 있는 이론적·실증적 기반을 제공할 수 있다. 둘째, 도시계획-대기과학의 융합연구를 통해 사회과학과 공학적 강점을 활용한 학문적 시너지 및 교육 효과를 기대할 수 있다. 셋째, 사례연구에서 토지이용 시나리오 개발을 위해 지자체와의 협력을 도모함으로써, 도시계획에 근거한 미세먼지 확산 시나리오의 실증적 검증 및 정책적 활용방안 도출을 기대할 수 있다.
  • 연구요약
  • ○ 본 연구는 전국에서 연평균 미세먼지 농도가 가장 높은 경기도 지역을 대상으로, 도시형태와 미세먼지 분포와의 상관성을 규명하기 위해 다음 3가지 단계로 연구를 진행한다. 1단계는 경기도 31개 시군들의 도시공간 구조 및 도시형태의 분류를 바탕으로 미세먼지 확산에 영향을 미칠 수 있는 도시형태적 취약성 지표들을 도출·검증한다. 도시형태 구성요소는 지형 및 입지적 특성에 근거한 분류를 바탕으로 도시개발 및 확산 유형(urban patch configuration), 토지이용, 녹지의 분포패턴 등 미세먼지 확산과 연계될 수 있는 다양한 변수들로 구성된다. 연구방법으로는 2007~2017년 경기도 전 지역에 대한 토지피복도 분석과, FRAGSTATS 공간분석 프로그램, 미세먼지 확산모델링을 적용한다. 2단계는 도시형태 구성요소가 미세먼지 확산패턴에 구체적으로 어떤 영향을 미치는지 실증적으로 분석한다. 본 연구에서는 도시형태 유형별로 토지피복-미세먼지 상관성이 높은 도시들을 선정(10개 이내), 토지피복도를 활용하여 미세먼지 취약성과 연계되는 도시형태 구성요소들(개발패턴, 녹지면적, 연결성 등)과 미세먼지 변화의 10년간 시계열적 상관성을 분석한다. 3단계에서는 도시형태적 측면에서 미세먼지에 가장 취약한 사례도시를 유형별로 선정하여 도시계획과 토지이용 변화에 따른 시나리오를 개발하고, 이를 바탕으로 시나리오별 미세먼지 확산 모델링(모델링 보완을 위한 빅데이터 분석 병행)을 수행한다.
결과보고시 연구요약문
  • 국문
  • 도시형태의 중요한 구성요소인 토지피복은 동일한 지역임에도 해상도가 다른 자료를 사용할 경우 CALMET 기상장 제작 시의 입력 인자값의 차이를 발생시켜 CALPUFF 모델의 미세먼지 농도 모의 결과가 다르게 도출됨을 확인하였다. 이를 통해 미세먼지 농도 확산의 모의를 위해 사용할 토지 피복 자료의 해상도를 충분히 고려하여 분석을 진행해야 함을 확인하였다. 또한 도시형태의 주요 요소인 지형과 미세먼지 농도 확산과의 상관성 분석에서는 토지 피복 자료 기반 CALMET 기상자료와 다양한 해상도의 지형 데이터를 이용하여 대기오염 확산모델인 CALPUFF의 PM10 모의를 진행한 결과 지형 데이터의 해상도에 따른 차이는 크게 나타나지 않았으며, 따라서 CALPUFF 운용시 입력되는 토지 피복 자료의 공간해상도는 미세먼지 농도 확산 모의에 영향을 주지만 지형고도자료의 공간해상도는 미세먼지 농도 확산 모의에 크게 영향을 주지 않음을 확인하였다. 대기확산모델인 CALMET 모델이 토지이용도 변수 중 지표면 거칠기에 따라 지표면의 풍속의 변화를 반영하지 않는 부분을 개선하기 위하여 CALMET의 지표풍속 계산 알고리즘을 개선하고, 토지이용도 변화에 따른 기상변화를 모사할 수 있는지 평가하였다. CALMET 알고리즘 개선 전후의 CALMET 모델링 결과를 분석한 결과, 알고리즘을 개선하였을 때, 알고리즘 개선 후 지표풍속에서 풍속이 약해지는 경향을 확인하였으며 이러한 부분은 실제 도시화로 인해 지표거칠기가 증가하면 관측기상에서도 지표 풍속이 약해지는 결과와 유사한 결과를 얻을 수 있었다. 이러한 개선된 모델링을 바탕으로 평택 고덕신도시를 사례로 도시개발 시나리오를 다양화하여 도시를 고밀도(CASE3), 저밀도(CASE4) 및 역세권고밀도(CASE5) 등의 조건으로 개발했을 때 오염물질의 확산을 평가하였다. 다양한 지표거칠기에 따른 오염물질 확산 영향예측을 수행한 결과, 지표 거칠기가 거칠어질수록 오염물질이 배출원 주변에서 정체되어 고농도를 나타내고 멀리 확산되지 못하는 경향을 나타냈으며, 지표거칠기가 낮을수록 오염물질이 멀리 확산되나 전반적인 농도는 낮게 나타나는 것으로 분석되었다.
  • 영문
  • Land cover is one of important elements in urban form. From the research, we found the use of different resolutions for same land cover areas would result in different PM10 dispersion models. This implies that careful use of resolution is necessary for modelling PM10 dispersion. From the study of relationship between resolution of topography data and PM10 dispersion, we found there is no significant association. We conclude that spatial resolution of land cover is associated with PM10 dispersion, but resolution of topography data is not related to PM10 dispersion. We also complemented the weakness of CALMET model that does not consider the change of wind speed at surface affected by surface roughness. Thus, we improved the calculation algorithm of CALMET model, and used it to assess air condition affected by land cover changes. We selected Godeok new town in Pyeongtaek, Gyeonggi-do for a case study, and modeled PM10 dispersion changes by using three different land use scenarios that represent different surface roughness(floor area ratio). We found that the land surface of high roughness is associated with high PM10 concentration, while low roughness is associated with low pm10 concentration.
연구결과보고서
  • 초록
  • 본 연구는 도시의 물리적 구성요소, 즉 도시형태가 미세먼지 확산패턴과 어떠한 상관성을 갖는지에 대한 질문에 초점을 두고 도시계획과 대기과학 융합 연구팀을 결성하여 3년간 연구를 수행하였다. 이를 위해 도시형태 유형별 토지이용 및 개발패턴의 변화와 미세먼지 확산 변화 분석을 통해 시계열적 상관성을 규명하였으며, 기존 대기 확산모델링의 문제점을 분석하고 미세먼지 확산예측에 적합한 모델을 도출하였으며, 딥러닝을 통해 미세먼지 측정소의 유효성을 분석하였다. 도시형태의 중요한 구성요소인 토지피복은 동일한 지역임에도 해상도가 다른 자료를 사용할 경우 CALMET 기상장 제작 시의 입력 인자값의 차이를 발생시켜 CALPUFF 모델의 미세먼지 농도 모의 결과가 다르게 도출됨을 확인하였다. 또한 도시형태의 주요 요소인 지형과 미세먼지 농도 확산과의 상관성 분석에서는 토지 피복 자료 기반 CALMET 기상자료와 다양한 해상도의 지형 데이터를 이용하여 대기오염 확산모델인 CALPUFF의 PM10 모의를 진행한 결과 지형 데이터의 해상도에 따른 차이는 크게 나타나지 않았으며, 따라서 CALPUFF 운용시 입력되는 토지 피복 자료의 공간해상도는 미세먼지 농도 확산 모의에 영향을 주지만 지형고도자료의 공간해상도는 미세먼지 농도 확산 모의에 크게 영향을 주지 않음을 확인하였다. 대기확산모델인 CALMET 모델이 토지이용도 변수 중 지표면 거칠기에 따라 지표면의 풍속의 변화를 반영하지 않는 부분을 개선하기 위하여 CALMET의 지표풍속 계산 알고리즘을 개선하고, 토지이용도 변화에 따른 기상변화를 모사할 수 있는지 평가하였다. CALMET 알고리즘 개선 전후의 CALMET 모델링 결과를 분석한 결과, 알고리즘을 개선하였을 때, 알고리즘 개선 후 지표풍속에서 풍속이 약해지는 경향을 확인하였으며 이러한 부분은 실제 도시화로 인해 지표거칠기가 증가하면 관측기상에서도 지표 풍속이 약해지는 결과와 유사한 결과를 얻을 수 있었다. 이러한 개선된 모델링을 바탕으로 평택 고덕신도시를 사례로 도시개발 시나리오를 다양화하여 도시를 고밀도(CASE3), 저밀도(CASE4) 및 역세권고밀도(CASE5) 등의 조건으로 개발했을 때 오염물질의 확산을 평가하였다. 다양한 지표거칠기에 따른 오염물질 확산 영향예측을 수행한 결과, 지표 거칠기가 거칠어질수록 오염물질이 배출원 주변에서 정체되어 고농도를 나타내고 멀리 확산되지 못하는 경향을 나타냈으며, 지표거칠기가 낮을수록 오염물질이 멀리 확산되나 전반적인 농도는 낮게 나타나는 것으로 분석되었다.
  • 연구결과 및 활용방안
  • 본 연구는 빅데이터 기반 미세먼지 예측 딥러닝 모델링의 수행은 미세먼지 확산모델링 결과와의 상호 비교를 가능하게 하며 확산모델의 변수 보정에 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다. 이러한 빅데이터 기반 미세먼지 확산 예측 결과는 향후 계층 및 연령별 미세먼지 건강위해성 진단 서비스의 기초 자료로도 매우 유용하게 활용될 수 있다. 본 연구는 미세먼지에 취약한 도시들의 입지 및 형태별 특성에 부합하도록 계획 및 개발방향을 설정하는데 큰 도움을 줄 수 있을 것으로 기대되며 특히 도시내 지역적·시간적 빅데이터 분석 및 예측모델링은 향후 도시계획 및 기간시설 계획시 미세먼지 측정의 정확성을 향상시키기 위한 동네별 미세먼지 예측 정보 서비스와 도시측정망 위치 결정에도 유용하게 활용될 것으로 기대된다.
  • 색인어
  • 미세먼지, 도시형태, 도시계획
  • 연구성과물 목록
데이터를 로딩중 입니다.
데이터 이용 만족도
자료이용후 의견
입력