건물 밀집 지역에서의 PM10 미세 규모 확산 특성 연구

Abstract

이 연구에서는 서울시의 도심지역을 대상으로, 대상 지역 내의 고층 건물이 주변 흐름에 미치는 영향을 포함한 도시 지역 상세 규모 대기 흐름과 황사 발생 일을 대상으로 하여 황사에 의해 발생하는 PM10 확산 특성을 분석하였다. 연구 방법으로는 중규모 기상 모델 WRF와 CFD 모델의 접합 방법을 사용하였으며, 보다 상세한 지형 효과를 반영하기 위하여 고해상도 GIS 자료를 이용하여 대상 지역의 3차원 상세 지형을 구축하여 CFD 모델의 입력자료로 사용하였다. 또한 CFD 모델의 경계 조건을 개선함으로써, 고도별 풍향 변화를 고려할 수 있게 되었다. 2008년 5월 황사 주의보가 발효된 30일 04시부터 20시까지를 대상기간으로 선정하여, 대상지역에서의 흐름 패턴과 PM10 확산 특성을 분석하였다. 고층 건물들이 밀집된 지역에서는 공통적으로 풍상측에 위치한 고층 건물에 부딪힌 흐름이 연직으로 분리되어 하강하면서, 지표에서 유입 풍향과 반대 방향의 역류(reverse flow)가 발생하였다. 또한 풍상측 건물을 감싸고 돌아가는 흐름인 말편자 소용돌이(horse-shoe vortex)가 발생하였다. 건물들이 밀집되어 있는 지역에서는 건물에 의한 drag effect에 의해 풍속이 감소하였다. 반면에, 건물에 의한 channeling effect에 의해 풍속이 증가하는 지역도 있었다. 대체적으로 건물이 밀집된 지역에서는 흐름의 왜곡이 심하게 나타나면서 복잡한 흐름을 형성하였다. 대상 기간 동안 남서풍과 서풍 계열의 바람이 유입되었다. 유입 풍향에 따라 형성되는 흐름 패턴의 위치가 다르게 나타났고, 유입 풍속에 따라 흐름의 강도가 다르게 나타났다. 모의된 바람장을 바탕으로 PM10 확산 실험을 한 결과, 도메인 전체 평균 농도는 도시대기 관측소에서 측정한 관측값에 비해 다소 과소모의 하고 있으나, 전체적인 패턴을 잘 모의하고 있는 것을 알 수 있었다. 대상기간 동안 도메인 내에서 PM10이 풍상측에서 풍하측으로 확산되어 나감을 볼 수 있었고, 고층건물이 밀집된 지역에서는 밀집된 건물들이 장애물 역할을 하면서 PM10 유입이 제대로 되지 않음을 알 수 있었다. 하지만 고층 건물에 의해 생기는 연직 흐름 분리에 의한 하강 기류를 따라 상층에서 지면으로 PM10 농도가 확산됨을 알 수 있었다. 따라서 고층 건물이 밀집된 지역에서는 고층건물의 풍상측에서 PM10 농도가 높게 나타나고, 말편자 소용돌이를 따라 건물 양옆으로 확산되어, 고층 건물의 주변 또한 PM10 농도가 높게 나타났다. PM10의 유입 농도가 감소함에 따라 흐름이 제대로 빠져 나가지 못해 정체 현상이 생기는 지역에서는 다른 지역보다 농도가 높게 나타남을 알 수 있었다.