열섬 현상 메커니즘.(사진=국립부경대 제공)

국립부경대학교는 환경대기과학전공 문우석 교수 연구팀의 전미정 연구원이 도시와 교외 지역의 기온 차이를 유발하는 도시 열섬(Urban Heat Island) 현상을 단순화된 열역학 모델로 설명한 연구 결과를 최근 'Nonlinear Processes in Geophysics'에 게재했다고 19일 밝혔다.

이번 연구는 도시 열섬이 왜, 그리고 언제 가장 강해지는지를 물리적으로 규명하는 데 초점을 맞췄다. 도시 열섬은 도시 지역의 기온이 주변 교외 지역보다 높게 나타나는 현상으로, 폭염 심화, 에너지 수요 증가, 건강 위험 확대 등과 연관된 주요 기후 문제다.

하지만 기존 연구들은 관측 사례를 나열하거나 복잡한 수치모델에 의존하는 경우가 많아, 핵심 원리를 직관적으로 이해하는 데 한계가 있었다. 연구팀은 도시 기온 변화를 ‘표면 에너지 수지(Surface Energy Balance)’ 관점에서 접근해 최소 변수로 구성된 단순 열역학 모델을 제시했다.

연구에 따르면, 도시는 낮 동안 태양복사를 통해 많은 열을 흡수하고, 그중 상당 부분을 건물, 도로, 콘크리트 같은 인공 구조물에 저장한다. 이 저장된 열이 밤에 천천히 방출되면서 도시가 주변 지역보다 더 늦게 식고, 야간 열섬 현상이 강화된다.

연구팀은 이러한 과정을 수학적으로 단순화한 모델로 표현해, 낮 동안의 열 축적 및 밤 동안의 열 방출이 도시 기온에 어떻게 기여하는지 제시했다. 이를 통해 도시 열섬이 단순히 ‘도시가 더 덥다’는 현상이 아니라, 시간에 따라 누적되고 방출되는 열의 비대칭 구조에서 비롯된다는 점을 명확히 설명했다.

문우석 교수는 “이번 연구는 도시 열섬을 복잡한 대규모 기후모델이 아니라, 최소한의 변수만으로도 재현 가능한 간단하지만 해석 가능한 모델로 설명했다는 점에서 의미가 있다”며 “기존의 경험적·통계적 접근을 넘어, 도시가 어떻게 열을 저장하고 방출하는지에 대한 근본적인 이해를 제공하는 것이 이번 연구의 가장 큰 성과”라고 밝혔다.

이 접근법은 도시 기후를 더 직관적으로 이해할 수 있게 해 주고, 향후 도시 설계, 녹지 확충, 건축 자재 선택, 폭염 대응 정책 등 실질적인 완화 전략을 과학적으로 평가하는 데 활용될 수 있을 것으로 기대된다.