“수분 순환, 도시 기후에 큰 영향” 차세대 도시기후 모델 ‘BECLOUD’ 개발

- 국립부경대 김재진 교수팀, 도시 수분·상변화 정밀 모사 차세대 CFD 모델 개발

- 국제 학술지 <Sustainable Cities and Society> 게재

국립부경대학교 환경대기과학전공 김재진 교수와 이현지 석사과정생 연구팀이 건물 단위 해상도를 갖는 전산유체역학(CFD) 모델에 온난운 미세물리(warm-cloud microphysics)를 결합한 새로운 도시 기후 모델 ‘BECLOUD’ (Building-rEsolving Computational fLuid dynamics model incorporating Output of Urban moisture and Dynamics)를 개발했다.

이 연구 성과는 엘스비어(Elsevier)가 발행하는 국제학술지 <Sustainable Cities and Society> (IF 12.0) 3월호에 게재됐다.

도시 기후 연구는 그동안 열섬(UHI), 난류 구조, 오염물질 확산 등 열·운동량 중심의 분석에 초점을 맞춰 발전해 왔다. 그러나 실제 도시 대기에서는 수증기의 응결·증발, 잠열 방출 등 미세물리적 상변화 과정이 열·수분 수지에 큰 영향을 미친다. 특히 여름철 고온다습 환경이나 강수 전후 조건에서는 이러한 상변화 과정이 국지적 열환경과 습도 구조를 크게 변화시킬 수 있다.

기존의 중규모 기상모델은 구름 미세물리를 포함하고 있지만, 건물 규모의 복잡한 유동 구조를 충분히 재현하기 어렵다. 반대로 건물해상도 CFD 모델은 정밀한 유동 해석이 가능하지만, 수분 응결 및 상변화 과정은 단순화해 다루는 경우가 많았다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 건물 형상 때문에 형성되는 미세 난류 구조와 수분 변수의 상변화 등 온난운 미세물리 과정을 결합한 통합 모델을 개발했다. 이를 통해 도시 공간 내 수분 이동, 잠열 교환, 국지적 습도 증폭 및 냉각 효과를 건물 규모에서 정량적으로 모사할 수 있게 됐다.

연구팀은 건물 밀집 지역에서 발생하는 난류 혼합과 수분 증발 과정이 상호작용하며 국지적인 열환경 변화를 유도하고, 이러한 결합 효과가 도시 기후 시스템의 비선형성을 강화한다는 점을 확인했다. 도시 대기를 단순한 열전달 체계가 아닌, 에너지와 수분 순환이 긴밀히 결합된 복합 시스템으로 이해해야 한다는 것이 핵심이다.

김재진 교수는 “이번 연구는 도시 열환경 평가, 강수 전후 습도 변화 분석, 도시 증발산 추정, 극한 기상 상황에서의 응축 거동 분석 등 다양한 분야로 확장 가능하다”며, “향후 고해상도 도시 기후 모사 기술은 스마트시티 설계, 기후적응 인프라 구축에 필요한 수분학적 과학적 근거를 제공할 수 있다는 것이 이번 연구의 가장 큰 성과”라고 밝혔다.

이와 함께 이 접근법은 도심항공교통(UAM) 운항 환경 분석에도 적용 가능성이 크다. 저고도 비행체는 평균 풍속뿐 아니라 고층 건물 주변에서 발생하는 난류 증폭, 국지적 수분 응결, 시정 악화, 구름 형성 가능성 등 미세 대기 현상의 영향을 받을 수 있다. 건물 해상도에서 수분 및 상변화 과정을 동시에 고려한 이 모델은 향후 버티포트(UAM 이착륙장) 입지 평가, 저고도 기상 위험도 진단, 운항 안전 기준 수립을 위한 과학적 기반 기술로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

김재진 교수 연구팀은 ‘기상청 한국형 도심항공교통(K-UAM) 안전운용체계 핵심기술 개발(RS-2024-00404042)’의 지원을 받아 이번 연구를 수행했다.

※ 붙임: 1. 건물 주변에서 발생하는 풍속과 수증기 혼합비의 3차원 유선 이동 시뮬레이션 이미지

2. 연구팀 사진. 이현지 석사과정생(왼쪽)과 김재진 교수