Urbanization-associated summer warming and temperature– moisture changes in the Beijing–Tianjin–Hebei region

도시 위의 공기는 주변 농촌의 공기와 결코 같을 수 없다. 이러한 차이는 도시가 열을 흡수하고 보유하는 재료들로 지어진 반면, 자연 경관은 식물과 토양을 통해 숨을 쉬기 때문에 발생한다. 태양이 내리쬐면 도시는 종종 그 에너지를 가두어 그 위의 공기를 따뜻하게 만든다. 하지만 열은 이야기의 절반일 뿐이다. 대기는 또한 습기, 즉 젖은 표면에서 증발할 때 공기를 식혀주는 보이지 않는 수증기를 운반한다. 세계의 많은 지역에서 도시가 어떻게 뜨거워지는가는 얼마나 많은 습기가 공기를 식히는 데 사용될 수 있는지와 밀접하게 연결되어 있다. 지면이 건조하면 열이 갈 곳이 없어 공기로 직접 전달되어 낮을 더 덥게 만든다. 반면 지면이 젖어 있으면 증발이 천연 에어컨 역할을 한다. 도시가 성장함에 따라 이 두 가지 힘인 열과 물이 어떻게 상호작용하는지 이해하는 것은 매우 중요하다. 왜냐하면 이것이 단순히 여름날이 얼마나 더울 것인가를 결정할 뿐만 아니라, 수십 년에 걸쳐 전체적인 지역 기후가 어떻게 변화할지를 결정하기 때문이다.

연구자들은 도시가 확장됨에 따라 더 따뜻해진다는 사실을 오래전부터 알고 있었으며, 이는 흔히 도시 열섬 현상이라고 불리는 현상이다. 그러나 중국 북부의 베이징-톈진-허베이 지역에 초점을 맞춘 새로운 연구는 이러한 온난화가 단순하고 균일한 담요와 같은 것이 아나라는 점을 밝혀냈다. 대신, 도시가 뜨거워지는 방식과 공기가 습기를 머금는 방식은 복잡하고 때로는 상반된 방식으로 변화하고 있다. 국방대학교의 과학자들이 이끄는 연구팀은 1981년부터 2025년까지의 여름 날씨 데이터를 조사했다. 그들은 기온 및 습도 기록을 각 지역의 지면이 건물과 포장된 도로로 얼마나 덮여 있는지를 보여주는 상세한 지도와 결합했다. 45년에 걸친 이러한 변화를 추적함으로써, 그들은 특히 물이 부족한 경우가 많은 이 지역에서 도시화의 강도가 여름 기후의 반응을 직접적으로 결정하는지 확인하고자 했다.

연구 결과, 이 지역 전체가 실제로 여름철 동안 상당히 더워졌음을 발견했다. 하루 중 가장 더운 시간대와 가장 시원한 시간대 모두 기온이 상승했다. 그러나 낮의 열기가 밤의 온기보다 더 빠르게 상승했다. 이 패턴은 지역의 지표면이 낮 동안 더 많은 열을 붙잡고 있음을 시사한다. 연구진이 이 온난화와 건축된 토지의 양 사이의 관계를 살펴보았을 때 명확한 그림이 드러났다. 콘크리트와 건물의 밀도가 가장 높은 지역에서 낮 기온의 상승이 가장 강력하게 나타났다. 토지가 인간의 구조물으로 더 많이 덮일수록 여름 낮은 더 뜨거워졌다. 이 연결 고리는 강력하고 일관되었으며, 이는 지표면의 물리적 변화가 낮 시간의 열을 유발하는 주요 동력임을 나타낸다.

하지만 밤의 이야기는 다소 달랐다. 개발이 가장 많이 된 지역에서도 밤이 더 따뜻해지긴 했지만, 건설량과 야간 기온 상승 사이의 연결 고리는 낮 시간만큼 긴밀하지 않았다. 더욱 놀라운 점은, 낮의 최고 기온과 밤의 최저 기온 사이의 차이, 즉 일교기가 도시가 얼마나 성장했는지와 뚜렷한 상관관계를 보이지 않았다는 것이다. 이는 도시화가 단순히 예측 가능한 방식으로 낮을 더 뜨겁게 만들거나 밤을 더 시원하게 만드는 식의 변화를 일으키는 것이 아님을 의미한다. 대신, 낮과 밤 모두 동일한 지표면의 변화에 의해 함께 따뜻해지고 있으며, 다만 낮의 열기가 도시의 밀도에 더 민감하게 반응하고 있다로 해석된다.

아마도 가장 시사하는 바가 큰 발견은 대기 중의 습기에 관한 것이었을 것이다. 연구진은 대기 중에 실제로 얼마나 많은 수증기가 존재하는지를 알려주는 값인 이슬점 온도를 측정했다. 이슬점이 높다는 것은 공기가 더 습하다는 것을 의미하며, 이는 열을 더 압도적으로 느끼게 할 수도 있지만 동시에 증발을 통한 냉각을 더 많이 허용하기도 한다. 데이터에 따르면 이 지역의 공기는 수십 년 동안 전반적으로 더 습해졌지만, 이러한 증가는 균일하지 않았다. 건물과 포장된 표면이 가장 많은 지역에서는 대기 중의 수분 증가가 덜 발달한 지역보다 오히려 더 약하게 나타났다. 즉, 가장 뜨거워진 곳들이 냉각 효과를 주는 습기의 이득을 가장 적게 얻었다는 것이다.

이는 지역에서 가장 도시화된 부분들에 대한 뚜렷한 기후 특징을 만들어낸다. 도시가 확장됨에 따라, 식생과 토지를 물을 머금지 못하는 딱딱한 표면으로 대체한다. 공기 중으로 수분을 방출할 식물이 없기 때문에, 주변의 농촌 지역이 다소 습해지는 것과는 대조적으로 지역 대기는 상대적으로 더 건조해진다. 이러한 수분의 부족은 지표면을 식히는 증발 작용을 줄여 온도가 더 높이 치솟게 만든다. 이 연구는 물이 이미 제한적인 중국의 이 특정 지역에서, 도시를 건설하는 과정이 단지 열을 가두는 것 이상의 일을 한다는 점을 시사한다. 즉, 도시 건설은 자연스러운 냉각 메커니즘을 능동적으로 변화시켜 여름의 열기를 완화해 줄 수 있는 기능을 감소시킨다.

이번 연구 결과는 도시 온난화가 단일하고 단순한 신호라는 생각을 뒤엎는다. 대신, 기후 반응은 현지의 물 가용성에 크게 의존한다. 베이징-톈진-허베이와 같이 여름 공기가 종종 건조한 지역에서는, 자연적인 표면이 도시 개발에 의해 제거되면서 피드백 루프가 생성된다. 도시는 증발을 통해 스스로를 식힐 수 없기 때문에 더 뜨거워지며, 열을 조절하는 데 필요한 습기를 얻지 못하기 때문에 계속해서 뜨거운 상태를 유지한다. 연구진은 자신들이 건축 환경과 기후 사이의 이러한 통계적 연결 고리를 명확히 식정했으나, 토양과 하층 대기에서 일어나는 정확한 물리적 과정에 대해서는 추가적인 연구가 필요하다고 언급했다. 그러나 분명한 것은, 물에 민감한 지역에서 도시가 성장함에 따라 도시들은 단순히 따뜻해지는 것이 아니라, 열과 물 사이의 관계를 근본적으로 변화시키며 이전의 땅보다 더 뜨겁고 더 건조한 여름 기후를 만들어내고 있다는 사실이다.