Nighttime Surface Urban Heat Island Characteristics in a Mountainous City: Evidence from Multi- temporal ECOSTRESS Observations in Chongqing

기술 요약: 산악 도시의 야간 지표 도시 열섬 특성

문제 제기
도시 열섬(UHI) 효과는 지역 기후 조절과 인간의 열적 쾌적함에 상당한 도전 과제를 제기한다. 평지 도시를 대상으로 한 연구는 실질적으로 존재하지만, 복잡한 지형, 큰 고도 경사, 그리고 공기 흐름과 열 수송을 변화시키는 파편화된 경관으로 인해 산악 도시의 열적 특성에 대한 이해는 여전히 불충분하다. 또한, 기존 문헌은 주간 조건이나 장기적인 기후 평균에 크게 치우쳐 있어, 야간 열 방출 및 재분배가 일어나는 중요한 시기인 새벽 전부터 일출 사이의 야간 열 환경, 특히 이 시기에 대한 이해의 공백을 남겨두고 있다. 산악 거대 도시에서 고해상도 다시점 관측을 사용하여 지표 도시 열섬 강도(SUHII)의 공간적 가변성을 정량화하고, 대표적인 야간 조건 하에서의 공간적 구동 요인(식생, 시가지 밀도, 지형)을 식별할 구체적인 필요성이 존재한다.

연구 방법론
본 연구는 대표적인 산악 거대 도시인 중국 충칭(Chongqing)의 주요 도심 지역을 조사하기 위해 ECOsystem Spaceborne Thermal Radiometer Experiment on Space Station (ECOSTRESS)를 활용하였다.

• 데이터 소스: 2021~2025년 여름철 새벽 기간에 획득된 6개의 대표적인 구름 없는 ECOSTRESS 관측 자료를 분석하여 시공간적 비교를 수행하였다. 상세한 구동 요인 분석을 위해, 설명 변수와의 시간적 일관성을 보장하고자 2023년 8월 23일의 고품질 단일 관측 자료를 선정하였다.
• 변수:
  • 종속 변수: 각 픽셀의 지표면 온도(LST)와 참조 범주(LCZ D: 저밀도 식생)의 평균 LST 차이로 계산된 지표 도시 열섬 강도(SUHII).
  • 설명 변수: Landsat 8/9로부터 얻은 정규 식생 지수(NDVI), 정규 시가지 지수(NDBI), 디지털 고도 모델(DEM), 그리고 경사도.
• 분석 프레임워크:
  1. 공간 분류: SUHII 값을 강한 냉섬(cold island)부터 강한 열섬(heat island)까지 6개 범주로 분류하였다.
  2. 상관 분석: NDVI와 SUHII 사이의 관계를 평가하기 위해 선형 회귀 모델을 사용하였다.
  3. 지리적 가중 회귀(GWR): 선택된 환경 요인과 SUHII 간의 관계에서 나타나는 공간적 비정상성(spatial non-stationarity)을 조사하기 위해 GWR 모델을 채택하였으며, 이를 통해 회귀 계수가 공간에 따라 변하도록 하였다.

주요 결과

1. 시계열 및 지역적 특성: 6개의 대표 관측 기간 동안 지역 평균 SUHII는 −0.77 ~ −0.03 °C 범위를 나타냈으며, 이는 일반적으로 약한 지역적 지표 도시 냉섬 조건을 나타낸다. 그러나 밀집된 시가지 내에서는 국지적인 열섬 핫스팟이 지속적으로 관찰되었다. 지역 평균값의 변화에도 불구하고, 공간적 분포 패턴은 안정적이었으며, 높은 SUHII 값은 도심 핵심부에 집중되었고 낮은 값은 주변 생태 지역에서 나타났다.
2. 공간적 이질성: SUHII는 도심에서 주변부로 갈수록 열적 강도가 감소하는 동심원 패턴을 형성하며 뚜렷한 공간적 이질성을 보였다. 구 단위 분석 결과, 위중구(Yuzhong District)가 일관되게 가장 높은 평균 SUHII(1.32 ~ 3.88 °C)와 가장 큰 열섬 면적 비율(92%~100%)을 유지했다. 반면, 바난(Banan)이나 베이베이(Beibei)와 같은 주변 지역은 더 낮은 SUHII 값과 더 강한 냉섬 특성을 보였다. 본 연구는 열섬 강도와 공간적 범위가 항상 일치하지는 않음을 주목했는데, 일부 구는 중간 정도의 강도를 가진 광범한 열섬 지역을 가진 반면, 다른 구는 범위는 제한적이지만 국지적으로 높은 강도의 핫스팟을 보유하고 있었다.
3. 식생의 영향: (2023년 8월 23일 관측치를 사용한) NDVI와 SUHII 간의 상관 분석 결과, 약하지만 일관된 음(-)의 관계($R^2 = 0.223$)를 나타냈다. 이는 식생 피복도가 높을수록 일반적으로 야간 SUHII가 낮아지는 경향이 있음을 의미하지만, 식생 단독으로는 야간 열 환경의 공간적 가변성을 설명하는 데 한계가 있음을 보여준다.
4. 구동 메커니즘 (GWR): GWR 모델은 만족스러운 성능($R^2 = 0.524$, 수정된 $R^2 = 0.503$)을 보였으며 명백한 공간적 비정상성을 드러냈다.
   • 지표면 vs 지형: 지표면 지표(NDVI 및 NDBI)는 지형 변수(DEM 및 경사도)보다 SUHII와 더 강한 공간적 연관성을 보였다.
   • NDVI: 계수는 −10.41에서 −1.89 사이였으며, 연구 지역 전반에 걸쳐 일관되게 음(-)의 값을 유지했다.
   • NDBI: 계수는 −9.45에서 2.74까지 다양하게 나타났으며, 양(+)의 계수는 밀집된 시가지 지역에 집중되었다.
   • 지형: DEM 계수는 주로 음(-)의 값을 가졌으나 그 크기가 작았으며, 이는 지표면 지표에 비해 공간적 연관성이 약함을 시사한다.

의의 및 주장
저자들은 본 연구가 복잡한 산악 도시의 야간 열 환경을 조사하는 데 있어 ECOSTRESS 데이터의 적용 가능성을 입증한다고 기술한다. 여러 차례의 대표적인 새벽 관측을 활용함으로써, 본 연구는 충칭의 야간 SUHII가 약한 지역적 냉각과 지속적인 도시 열 핫스팟이 교차하는 안정적인 공간 패턴을 특징으로 한다는 증거를 제공한다.

본 연구는 기후 민감형 도시 계획 및 산악 지역의 도시 열 완화 전략을 위한 과학적 근 근거를 제공한다고 주장한다. 또한, 도시 열 환경을 평가할 때는 열적 강도와 공간적 범위를 결합하여 사용해야 하는데, 이는 두 지표가 열적 경관의 서로 다른 측면을 설명하기 때문임을 강조한다. 나아가, 본 연구의 결과는 식생이 역할을 수행하지만, 야간 열 환경은 여러 상호작용하는 요인들에 의해 제어되며, 이 특정 맥락에서는 지표면 특성이 지형보다 더 강력한 영향을 미친다는 점을 시사한다.

저자들은 구름이 없는 야간 ECOSTRESS 데이터의 희소성으로 인해, 본 연구의 결과가 장기적인 기후 조건이 아닌 선택된 관측 기간을 나타낸다는 한계를 명시적으로 인정한다. 따라서 식별된 공간적 관계는 보편적인 구동 메커니즘이라기보다는 선택된 기간의 대표적 특성으로 해석된다. 향후 연구에서는 더 긴 시계열 데이터와 도시 형태 및 인위적 열 배출과 같은 추가 변수를 포함할 것을 제안한다.