도시 대기특성 예측 및 응용기술 개발 연구 사업은 도시 기상 특성 감시 및 특성 분석, 전산유체역학 모형 개발 및 이를 이용한 도시 지역 상세 기상 예측, 그리고 Landsat TM 영상을 이용한 도시 지역 열환경 분석의 크게 네 가지 분야로 나누어 수행하였다.도시 기상 특성 감시에서는 도시 열환경, 도시 수문 상태, 도시 내부의 바람길 등 도시 기상 특성을 파악하기 위해 서울 지역 도시 기상 특성감시 시스템을 활용하여 도시 내부의 토지 피복 변화가 도시 기상에 미치는 영향을 정량적으로 평가할 수 있는 사례로 청계천 복원 전·후의 기상 특성을 집중관측을 통해 비교 분석하였다.도시 기상 특성 분석에서는 도심지와 교외 지역의 기존 AWS 측정 자료와 지상기상관측 자료를 이용하여 도시 열섬의 특성을 분석하고 토지 피복에 따른 열수지 모델을 구축 및 검증하였다. 그리고 도시 효과의 영향을 알아보기 위해 서울의 강우 특성을 풍향별로 분석하였다.전산유체역학(CFD) 모형 개발 및 이를 이용한 도시 지역 상세 기상 예측에서는 중규모 모형실험 결과를 2차년도(2004년)에 개발된 전산유체역학 모형의 경계 유입 조건으로 사용하는 접합 기술을 개발하였다. 중규모 모형 실행 결과의 정확성을 검증하기 위하여 관측된 종관 해수면 기압장과 모형 결과를 비교 검증하였으며, 가장 안쪽 영역에서는 지상 관측소와 자동기상 관측소 자료를 중규모 모형 결과와 비교 검증하였다. 이를 이용하여 서울시 청계천 지역에서의 상세 흐름을 수치 모사하는 연구를 수행하였다.Landsat TM 영상을 이용한 도시지역 열환경 분석에서는 서울 지역을 중심으로 토지피복, 식생지수 및 지표온도 분포 특성 등을 지형과 함께 시·공간적으로 분석함과 동시에 도시 열의 공간적 분포 특성을 보다 체계적으로 해석할 수 있는 기법을 개발하였다. 이를 토대로 도시 지표 온도 분포를 탐지하고자 ASTER 영상 2 scene (2004년 4월 17일 주간 2B03 영상, 2004년 10월 10일 야간 2B03 영상)의 열적외 센서(TIR)를 이용하여 서울시의 지표 온도 분포도를 작성하고 자동기상관측(AWS) 값과 상관 분석을 실시하여 상관 계수를 구하였으며 ASTER 영상의 VNIR 센서를 이용하여 정규식생 지수를 추출하여 지표온도와의 상관성 분석을 실시하였다. 아울러 위성영상자료와 GIS 공간 분석기법을 이용하여 청계천 주위의 온도 분포 패턴에 관하여 알아보았다.도시 열환경 특성을 파악하기 위해 서울지역 도시 기상 특성 감시 시스템을 활용하여 토지 피복 변화가 도시 기상에 미치는 영향을 정량적으로 평가할 수 있는 사례로 청계천 복원 전·후의 기상 특성을 관측을 통해 분석하였다. 도시 기상 특성 분석 연구에서는 2003년 서울 지역의 31개 AWS 자료와 청계천 집중관측 자료를 이용하여 도시 열섬의 시·공간적 구조를 분석하였다. 토지 피복에 따른 도심 열환경 평가를 위한 열수지 모델의 적용 및 검증에서는 초지인 해남 관측소와 콘크리트로 된 서울 도심지의 숭신초등학교 옥상에서 관측된 복사값을 이용하였다. 중규모 모형 결과 자료를 접합 기술을 사용하여 경계 조건 자료로 만든 후 이를 전산 유체 역학 모형에 적용하여 서울시 청계천 지역의 상세 기상장 예측에 이용하였다. 중규모 흐름의 변화가 도시 내 상세 흐름에 미치는 영향을 조사하기 위하여, 중규모 모형 결과 중에서 흐름의 변화가 가장 뚜렷한 6 시간을 전산 유체 역학 모형의 적분 시간으로 정하여 모형을 실행하였다. 전산 유체 역학 모형에서 변화하는 경계 조건에 의해 나타나는 도시 내 상세 흐름이 모사되었다. 서울시 지표온도 분포도, 토지피복 및 정규식생지수 등의 분포도를 작성하고 지표온도 분포도를 기반으로 AWS 자료, 식생활력 지수, 토지피복 항목과 상관성 분석을 수행하였으며 GIS 근접분석을 통하여 청계천 주위의 지형과 함께 시·공간적으로 분석함과 동시에 도시 열의 공간적 분포 특성을 보다 체계적으로 해석할 수 있는 기법을 개발하였다. 또한 Landsat 영상의 대체를 위해 지구관측위성인 EOS AM1의 ASTER 영상자료를 활용하여 지표 열 분포도를 작성하고 이를 기반으로 다양한 활용가능성을 제시하였다. 아울러 청계천 복원 후의 ASTER 영상 자료를 활용하여 청계천 복원전과 후의 지표환경 분석을 통하여 장기적으로 모니터링 함으로써 청계천 관리 및 변화에 따른 다양한 정보를 수집할 수 있을 것으로 판단되며 나아가 청계천 뿐 아니라 서울시의 기후환경 특성을 고려한 도시계획수립에 있어 그 기초자료와 합리적인 적용기법으로 활용되어질 수 있을 것이다.
기상환경영향평가 연구 분야의 이니셔티브 확보하기 위해 신속한 CFD 분석을 통한 시뮬레이션은 중요한 부분이다. 그러나 그 분석 작업을 진행함에 있어 CFD분석 프로그램의 입력데이터를 생성하는 작업이 필수적으로 요구되지만 대부분 까다롭고 많은 시간을 필요로 한다. 국내에 국토지리정보체계 구축작업으로 많이 구축된 수치지형 데이터들은 온라인상으로도 쉽게 구입도 가능하게 되었지만, 주로 지형의 레벨 정보와 건물 등에 대한 2차원 도형정보들로 구성되어 있기 때문에 분석 작업에서 활용하기 위한 3차원 정보를 쉽게 변환 및 추출할 수 있는 기능에 대한 요구가 점차 증대되고 있다. 본 연구에서는 3차원 설계프로그램인 ArchiCAD 환경에서 수치지도를 기반으로 하여 작성된 3차원 지형 위에 건물을 반지동으로 생성하고, 작업된 모델로부터 CFD 분석 프로그램에서 필요로 하는 입력 정보를 쉽게 추출하여 저장할 수 있는 애드온 프로그램을 개발하였다.
현재 국외 뿐 아니라 국내에서는 계산 유체 역학(CFD: Computational Fluid Dynamics) 모형을 이용한 기상학적 연구와 알고리즘 개발에 많은 개선을 보이고 있다. 또한 여기서 생산된 모형의 결과를 활용하여 기상환경영향평가 등에도 활용하고 있다. 하지만 이를 효과적으로 처리할 수 있는 표출시스템이 기상학적으로는 미약한 상황이다. 특히, 환경영향평가 시 이를 평가하는 기상학 비전문가들이 쉽게 자료를 이해하고 이를 통하여 객관적인 평가를 할 수 있도록 하기 위하여 일반 사용자 중심적 표출 프로그램이 개발되어야 한다. 국립기상연구소에서는 2008년도 연구개발을 통하여 CFD 모형 결과자료의 효과적인 표출시스템을 개발하였다. 사용자 중심의 CFD 모형 결과의 해석 및 표출시스템 개발을 위해 다음의 사항을 고려하였다. - GUI(Graphic User Interface)를 지원하는 시스템으로서 3차원 공간의 모델 자료에서 사용자가 원하는 층의 자료를 추출한다. - 추출된 바람 및 오염물질 농도는 바람 벡터형태로 변환 및 Shade Image 형태로 각각 변환한다. - 건물 및 지형정보는 수치지형도에 추출된 자료를 사용할 수 있도록 추출하며, 추출 후 변환된 정보는 컴퓨터 시스템 상에 표출하되 GUI를 통하여 사용자가 interactive하게 사용할 수 있도록 한다. - 표출되는 정보는 2차원 평면상에 표출하되 지형 및 건물 등에 의한 정보 차폐 등도 나타내도록 한다. - 순환계가 잘 표현될 수 있도록 확대(Zoom In), 축소(Zoom Out), 이동(Panning) 등을 지원하고 정보의 Quality를 유지하기 위하여 모든 자료는 단순한 Image가 아닌 Vector 형태로 표출한다. - 마우스로 특정 지점을 선택 시 해당 지점에 대한 시간별 정보를 나타내는 Time Series Graph를 즉각적으로 표출한다. - 마우스로 특정 두 지점을 선택 시 해당 지역에 대한 Vertical Cross Section 정보를 Graphic으로 즉각적으로 표출한다. - 사용자의 자료 요구 후 처리되는 시간은 1-2초 내에 모든 Graphic을 표출 처리할 수 있도록 시스템을 구성한다. 시스템의 H/W 사양은 CPU Dual Core 2 GHz이상, RAM 1.0 GB이상, VGA GeForce 7000 Series 이상이며, 설치 Disk 여유용량 30 GB 이상, Monitor 17“ 이상을 기준으로 한다.
현재 국외 뿐 아니라 국내에서는 계산 유체 역학(CFD: Computational Fluid Dynamics) 모형을 이용한 기상학적 연구와 알고리즘 개발에 많은 개선을 보이고 있다. 또한 여기서 생산된 모형의 결과를 활용하여 기상환경영향평가 등에도 활용하고 있다. 하지만 이를 효과적으로 처리할 수 있는 표출시스템이 기상학적으로는 미약한 상황이다. 특히, 환경영향평가 시 이를 평가하는 기상학 비전문가들이 쉽게 자료를 이해하고 이를 통하여 객관적인 평가를 할 수 있도록 하기 위하여 일반 사용자 중심적 표출 프로그램이 개발되어야 한다. 국립기상연구소에서는 2008년도 연구개발을 통하여 CFD 모형 결과자료의 효과적인 표출시스템을 개발하였다.□ 사용자 중심의 CFD 모형 결과의 해석 및 표출시스템 개발을 위해 다음의 사항을 고려함.- GUI(Graphic User Interface)를 지원하는 시스템으로서 3차원 공간의 모델 자료에서 사용자가 원하는 층의 자료를 추출한다.- 추출된 바람 및 오염물질 농도는 바람 벡터형태로 변환 및 Shade Image 형태로 각각 변환한다.- 건물 및 지형정보는 수치지형도에 추출된 자료를 사용할 수 있도록 추출하며, 추출 후 변환된 정보는 컴퓨터 시스템 상에 표출하되 GUI를 통하여 사용자가 interactive하게 사용할 수 있도록 한다.- 표출되는 정보는 2차원 평면상에 표출하되 지형 및 건물 등에 의한 정보 차폐 등도 나타내도록 한다.- 순환계가 잘 표현될 수 있도록 확대(Zoom In), 축소(Zoom Out), 이동(Panning) 등을 지원하고 정보의 Quality를 유지하기 위하여 모든 자료는 단순한 Image가 아닌 Vector 형태로 표출한다.- 마우스로 특정 지점을 선택 시 해당 지점에 대한 시간별 정보를 나타내는 Time Series Graph를 즉각적으로 표출한다.- 마우스로 특정 두 지점을 선택 시 해당 지역에 대한 Vertical Cross Section 정보를 Graphic으로 즉각적으로 표출한다.- 사용자의 자료 요구 후 처리되는 시간은 1-2초 내에 모든 Graphic을 표출 처리할 수 있도록 시스템을 구성한다. 시스템의 H/W 사양은 CPU Dual Core 2 GHz이상, RAM 1.0 GB이상, VGA GeForce 7000 Series 이상이며, 설치 Disk 여유용량 30 GB 이상, Monitor 17“ 이상을 기준으로 한다.