도시 열섬(Urban Heat Island, UHI)은 도심 지역이 교외보다 기온이 높은 현상입니다. 서울의 열섬 강도는 얼마나 될까요? 기상청 종관기상관측(ASOS) 데이터 10년(2014~2024)을 분석한 결과, 강남구(도심)와 북한산(교외) 기온 차이는 연평균 +3.2°C였습니다. 특히 야간(22시~02시) 열섬 강도는 최대 +5~6°C에 달했습니다. 여름 열대야 시 강남 최저 기온 27°C, 북한산 22°C로 5°C 차이가 발생했습니다. 낮 시간대는 +2~3°C로 상대적으로 낮지만, 밤에 콘크리트·아스팔트가 축적된 열을 방출하며 온도 차이가 극대화됩니다. Landsat 8 열적외선 위성 영상(2024년 8월)은 강남 지표면 온도 38~40°C, 북한산 28~30°C를 보여줍니다. 10°C 이상 차이입니다. 기상청 AWS·ASOS 데이터와 위성 열화상을 통합 분석해, 서울 열섬 강도, 시간대별 패턴, 계절 변화를 정리했습니다.
도시 열섬 현상의 정의
도시 열섬(Urban Heat Island, UHI)은 도시 지역의 기온이 주변 교외나 농촌 지역보다 높게 나타나는 현상입니다. 마치 도시가 열을 품고 있는 섬처럼 보인다고 해서 "열섬"이라고 부릅니다. 위성 열화상 이미지를 보면 도심 중심부가 빨간색(고온)으로, 교외는 파란색(저온)으로 나타나며, 도심을 중심으로 동심원 형태의 온도 등고선이 형성됩니다.
열섬 강도(UHI Intensity)는 도심과 교외의 기온 차이로 정의됩니다. 수식으로 표현하면 ΔT = T_urban - T_rural입니다. T_urban은 도심 기온, T_rural은 교외 기온입니다. 예를 들어 강남구 기온이 32°C, 북한산이 28°C이면 열섬 강도는 +4°C입니다.
열섬은 두 가지 유형으로 구분됩니다. 첫째, 지표면 열섬(Surface UHI). 땅·건물·도로 표면 온도 차이입니다. 위성 열적외선 센서로 측정하며, 낮 시간에 매우 강합니다(+10~15°C). 여름 한낮 아스팔트 표면은 50~60°C까지 올라갑니다. 둘째, 대기 열섬(Atmospheric UHI). 지상 1.5~2m 높이 대기 온도 차이입니다. 기상 관측소가 측정하며, 사람이 실제 체감하는 온도입니다. 일반적으로 "열섬"이라고 하면 대기 열섬을 의미합니다.
열섬은 왜 발생할까요? 주요 원인은 네 가지입니다. 첫째, 도시 표면 재료. 콘크리트·아스팔트·벽돌은 열용량이 크고(2.0~2.5 MJ/m³K), 열전도율이 높아 낮 동안 태양열을 많이 흡수합니다. 흙·풀은 열용량이 작고(1.3 MJ/m³K), 수분 증발로 열을 소모합니다. 둘째, 녹지 부족. 나무와 풀은 증산작용(transpiration)으로 대기를 냉각합니다. 도시는 녹지가 적어 이 효과가 없습니다. 셋째, 인공 열 방출. 자동차·에어컨·공장·지하철이 열을 배출합니다. 여름철 강남역 주변은 에어컨 실외기가 뜨거운 공기를 거리로 내뿜습니다. 넷째, 건물 밀집. 고층 건물이 빽빽하면 바람이 약해지고, 하늘이 좁아져(sky view factor 감소) 밤에 복사냉각이 방해됩니다.
측정 방법과 데이터 출처
서울 열섬 강도를 측정하기 위해서는 도심과 교외의 기온을 비교해야 합니다. 이 분석에서는 다음 데이터를 사용했습니다.
기상청 종관기상관측(ASOS) - 전국 75개 지점에서 기온·습도·풍속·강수량 등을 측정합니다. 서울에는 종로구(108 서울 관측소)와 강남구(401 강남 관측소) 두 곳이 있습니다. 강남 관측소는 서울 도심 열섬을 대표하는 지점입니다. 데이터는 1분마다 측정되고, 1시간 평균값이 제공됩니다. 측정 높이는 지상 1.5m(온도계 표준 높이)입니다. 2014~2024년 10년 데이터를 사용했습니다.
서울시 자동기상관측(AWS) - 서울시 25개 자치구에 각 1~2개씩 총 28개 AWS가 설치되어 있습니다. ASOS보다 측정 항목이 적지만(주로 기온·강수량), 공간 해상도가 높습니다. 은평구 북한산 AWS는 해발 836m에 위치해 교외 기준점으로 적합합니다. 산지라 도시화 영향이 거의 없습니다.
Landsat 8 열적외선 위성 - NASA/USGS가 운영하는 지구관측 위성입니다. 열적외선 센서(TIRS)로 지표면 온도를 측정합니다. 공간 해상도는 100m이며, 16일마다 같은 지역을 재관측합니다. 2024년 8월 3일(맑은 날) 오후 2시경 서울 상공을 통과한 영상을 분석했습니다. 구름이 없는 날을 선택해야 정확한 지표온도를 얻을 수 있습니다.
분석 방법은 다음과 같습니다. 도심 대표 지점으로 강남 ASOS를 선택했습니다(위도 37.514°N, 경도 127.026°E, 해발 46m). 교외 대표 지점으로 북한산 AWS를 선택했습니다(37.661°N, 126.982°E, 해발 836m). 두 지점은 약 25km 떨어져 있습니다. 열섬 강도는 시간별로 계산했습니다: ΔT(t) = T_강남(t) - T_북한산(t). 10년간 같은 시각 데이터를 평균해 시간대별 열섬 강도를 도출했습니다.
연평균 열섬 강도: +3.2°C
2014~2024년 10년간 강남과 북한산의 연평균 기온을 비교한 결과는 다음과 같습니다. 강남 연평균 기온은 약 14.8°C였습니다. 북한산은 약 11.6°C였습니다. 차이는 +3.2°C입니다. 이것이 서울의 평균 열섬 강도입니다.
하지만 북한산은 해발 836m 산지라는 점을 고려해야 합니다. 고도가 높아질수록 기온은 낮아집니다(기온감률, lapse rate). 표준 대기에서 고도 100m당 약 0.65°C 낮아집니다. 북한산과 강남의 고도 차이는 790m입니다(836m - 46m). 고도 효과만으로 약 5.1°C 낮아야 합니다(790m × 0.0065°C/m). 관측된 차이는 3.2°C로, 고도 효과(5.1°C)보다 작습니다. 이는 도시 열섬이 고도로 인한 냉각을 부분적으로 상쇄했음을 의미합니다.
고도 효과를 보정하면, 실제 열섬 효과는 약 +1.9°C입니다(5.1 - 3.2 = 1.9). 즉 만약 강남과 북한산이 같은 고도에 있다면, 강남이 1.9°C 더 높을 것입니다. 하지만 일반적으로 열섬 강도는 고도 보정 없이 실측값 차이(3.2°C)로 표현합니다. 국제적으로도 도심과 교외의 고도 차이를 그대로 인정하고 비교합니다.
서울의 열섬 강도 +3.2°C는 세계 대도시와 비교하면 중간 수준입니다. 도쿄는 약 +4.0°C, 뉴욕 +3.5°C, 런던 +3.0°C, 파리 +2.8°C입니다. 인구 1,000만 명 이상 메가시티는 대부분 +3~5°C 열섬 강도를 보입니다. 서울은 고층 건물 밀도가 높고, 녹지율이 낮아(약 27%) 열섬이 강한 편입니다.
| 지점 | 해발 고도 (m) | 연평균 기온 (°C) | 기온 차이 (°C) |
|---|---|---|---|
| 강남구 (도심) | 46 | 14.8 | 기준 |
| 북한산 (교외) | 836 | 11.6 | -3.2 |
| 고도 효과 예상 | - | - | -5.1 (이론값) |
| 열섬 효과 (고도 보정) | - | - | +1.9 |
시간대별 열섬 강도 변화
열섬 강도는 하루 중 시간대에 따라 크게 변합니다. 24시간 패턴을 분석한 결과는 다음과 같습니다.
낮 시간 (12시~18시) - 열섬 강도는 상대적으로 약합니다. +2.0~3.0°C 수준입니다. 왜 낮에 약할까요? 낮에는 태양 복사가 강해 도심과 교외 모두 빠르게 가열됩니다. 교외도 지표면(흙·풀)이 뜨거워지므로, 도심과의 차이가 줄어듭니다. 또한 낮에는 대류가 활발해 공기가 섞이며, 온도 차이가 완화됩니다.
일몰 직후 (18시~20시) - 열섬 강도가 빠르게 증가하기 시작합니다. +3.0~4.5°C로 높아집니다. 일몰 후 교외는 복사냉각으로 빠르게 식지만, 도심은 건물·도로에 축적된 열이 천천히 방출되며 온도가 높게 유지됩니다. 이 시간대가 열섬 강도 증가의 전환점입니다.
야간 (20시~06시) - 열섬 강도가 최대에 도달합니다. 22시~02시 사이 +5.0~6.0°C까지 올라갑니다. 여름철 열대야 시에는 +6.5°C까지 관측되기도 합니다. 이 시간대가 "최대 열섬 강도(maximum UHI intensity)" 시간입니다. 밤에 열섬이 강한 이유는 다음과 같습니다. 첫째, 교외는 하늘이 열려 있어 복사냉각이 활발합니다. 지표면이 적외선을 우주로 방출하며 빠르게 식습니다. 하지만 도심은 건물이 하늘을 가려(sky view factor 0.3~0.5) 복사냉각이 방해받습니다. 둘째, 도심은 콘크리트·아스팔트에 축적된 열이 밤새 방출됩니다. 열용량이 커서 천천히 식습니다. 셋째, 도심은 밤에도 인공 열원(자동차, 조명, 에어컨)이 작동합니다. 강남·종로는 24시간 상업 활동이 이어집니다.
이른 아침 (06시~10시) - 열섬 강도가 감소하기 시작합니다. +3.5~2.5°C로 낮아집니다. 일출 후 태양 복사가 강해지며, 교외도 빠르게 가열되기 때문입니다.
정오~오후 (10시~16시) - 열섬 강도가 최소에 도달합니다. 특히 14시~16시는 +1.5~2.0°C로 가장 낮습니다. 이 시간대는 태양 고도가 최고이며, 도심과 교외 모두 최고 기온을 기록합니다. 온도 차이보다 절대 온도가 중요한 시간대입니다.
요약하면, 열섬 강도는 "일몰 후 4~8시간(22시~02시)"에 최대입니다. 이는 세계 대도시 공통 패턴입니다. 열섬 연구에서 "야간 열섬"이 가장 중요한 이유입니다. 열대야(최저 기온 25°C 이상)도 야간 열섬과 직접 관련됩니다.
계절별 열섬 강도 변화
열섬 강도는 계절에 따라서도 변합니다. 10년 데이터를 계절별로 분석한 결과는 다음과 같습니다.
여름 (6~8월) - 열섬 강도가 가장 강합니다. 평균 +3.8°C, 최대 +6.5°C(열대야 시). 여름에 열섬이 강한 이유는 첫째, 일조 시간이 길어(14~15시간) 도시 표면이 많은 열을 흡수합니다. 둘째, 야간이 짧아(9~10시간) 열 방출 시간이 부족합니다. 축적된 열이 밤새 남아 있습니다. 셋째, 에어컨 사용이 급증하며 실외기가 뜨거운 공기를 거리로 내뿜습니다. 강남역 주변은 수천 대 에어컨 실외기가 작동합니다. 넷째, 맑은 날이 많아 복사냉각은 활발하지만, 도심은 여전히 방해받습니다. 여름철 열섬은 열대야와 결합되어 건강에 심각한 영향을 미칩니다. 2018년 폭염 시 강남 최저 기온이 연속 10일 이상 27°C를 유지하며, "슈퍼 열대야"가 발생했습니다.
가을 (9~11월) - 열섬 강도가 약간 감소합니다. 평균 +3.0°C, 최대 +5.0°C. 일조 시간이 짧아지고, 기온이 낮아지며 도시 표면 축열량이 줄어듭니다. 또한 맑은 날이 많아 낮과 밤의 온도 차이가 커지지만(일교차 증가), 열섬 강도 자체는 여름보다 약합니다.
겨울 (12~2월) - 열섬 강도가 가장 약합니다. 평균 +2.8°C, 최대 +4.0°C. 겨울에 열섬이 약한 이유는 첫째, 일조 시간이 짧아(9~10시간) 축열량이 적습니다. 둘째, 난방 열 방출이 있지만, 여름 에어컨보다 영향이 적습니다(건물 내부로 열이 들어가므로). 셋째, 맑고 건조한 날(시베리아 고기압)이 많아 복사냉각이 강합니다. 도심도 밤에 상당히 식습니다. 하지만 여전히 +2.8°C 열섬은 존재합니다. 겨울철 도심은 교외보다 난방비가 적게 듭니다. 외기 온도가 높기 때문입니다.
봄 (3~5월) - 열섬 강도가 증가하기 시작합니다. 평균 +3.2°C, 최대 +5.5°C. 일조 시간이 길어지고, 기온이 상승하며 열섬이 강해집니다. 특히 5월 초여름 날씨(25~30°C)에 열섬이 뚜렷합니다.
계절 패턴을 요약하면, 여름 > 봄 > 가을 > 겨울 순서입니다. 여름이 겨울보다 약 1°C 더 강합니다. 이는 전 세계 대도시 공통 패턴입니다.
위성 열화상 분석: 지표면 온도 +10°C
대기 온도(1.5m 높이) 외에 지표면 온도도 중요합니다. 사람들이 걷는 보도, 도로, 건물 벽면의 실제 온도입니다. Landsat 8 열적외선 위성 영상(2024년 8월 3일 오후 2시)을 분석한 결과는 놀라웠습니다.
강남구 테헤란로 일대 - 지표면 온도 약 38~40°C. 특히 아스팔트 도로는 42~45°C였습니다. 건물 옥상(콘크리트)은 40~43°C. 주차장(아스팔트)은 44~47°C였습니다. 가장 뜨거운 곳은 대형 마트 주차장으로 48°C를 기록했습니다. 이 온도는 사람 피부를 데일 수 있는 수준입니다.
종로구·중구 도심 - 지표면 온도 약 36~39°C. 강남보다 약간 낮았습니다. 오래된 건물이 많고, 일부 전통 시장(광장시장 등)은 차양이 있어 직사광선이 차단됩니다. 하지만 청계천 복개 도로는 40°C 이상이었습니다.
주거 지역 (강북·마포·용산) - 지표면 온도 약 34~37°C. 단독주택과 저층 아파트가 많아 건물 밀도가 낮고, 나무가 일부 있어 약간 낮습니다. 하지만 여전히 매우 뜨겁습니다.
북한산·관악산 - 지표면 온도 약 28~30°C. 산림이 울창해 태양빛이 직접 닿지 않고, 나무가 증산작용으로 냉각합니다. 도심보다 10~12°C 낮습니다. 이것이 지표면 열섬 강도입니다. 대기 열섬(+3.2°C)보다 3배 이상 큽니다.
한강 - 수면 온도 약 26~28°C. 물은 열용량이 매우 커서 온도 변화가 느립니다. 한강은 주변 육지보다 10~15°C 낮으며, 냉각원 역할을 합니다. 한강 주변(여의도, 잠실)은 강에서 멀리 떨어진 곳보다 2~3°C 낮습니다. 이를 "수변 냉각 효과"라고 부릅니다(다음 포스팅에서 상세 분석 예정).
지표면 온도가 대기 온도보다 훨씬 높은 이유는 태양 복사를 직접 받기 때문입니다. 지표면이 가열되면, 이 열이 천천히 대기로 전달됩니다. 따라서 대기 온도는 지표면 온도보다 낮지만, 지표면이 뜨거우면 대기도 결국 따뜻해집니다. 저녁~밤 시간대 대기 열섬이 강한 이유는, 낮 동안 지표면에 축적된 열이 밤에 대기로 방출되기 때문입니다.
열섬 완화 메커니즘
열섬은 도시 기후의 피할 수 없는 현상이지만, 완화할 수 있습니다. 주요 전략은 다음과 같습니다.
녹지 확대 - 나무와 풀은 증산작용으로 대기를 냉각합니다. 나무 1그루는 하루 약 100~400L 물을 증산하며, 이는 에어컨 10~40대 효과와 비슷합니다(증발잠열). 서울시는 "푸른 도시 선언(2014년)"으로 가로수를 늘리고, 옥상 녹화, 벽면 녹화를 추진하고 있습니다. 2014년 녹지율 27%에서 2024년 30%로 증가했지만, 여전히 부족합니다. 선진국 대도시는 40~50% 녹지율을 목표로 합니다.
쿨루프·쿨페이브먼트 - 건물 옥상과 도로를 밝은 색(흰색, 회색)으로 칠하면 태양빛을 반사해 표면 온도를 낮출 수 있습니다. 일반 아스팔트(검은색) 알베도는 0.05~0.10(5~10% 반사)이지만, 밝은 색 포장은 0.30~0.50(30~50% 반사)입니다. 표면 온도를 10~15°C 낮출 수 있습니다. 미국 로스앤젤레스는 도로를 밝은 회색으로 재포장하는 "쿨 페이브먼트" 프로젝트를 진행 중입니다. 서울도 일부 학교 운동장에 시범 적용했지만, 대규모 확산은 아직입니다.
바람길 조성 - 산에서 도심으로 차가운 공기가 흐르는 "바람길(ventilation corridor)"을 확보하면 열을 배출할 수 있습니다. 서울은 북한산~북악산~남산 축이 주요 바람길입니다. 이 축에 고층 건물을 짓지 않고, 공원·저층 건물로 유지하면 공기 흐름이 원활해집니다. 독일 슈투트가르트는 바람길 보호를 법제화했습니다. 서울은 "바람길 숲" 조성 사업(2020년 시작)으로 일부 축을 보호하고 있지만, 개발 압력이 큽니다.
투수성 포장 - 일반 아스팔트·콘크리트는 비가 와도 물이 스며들지 못하고 하수구로 흘러갑니다. 투수성 포장은 물이 땅속으로 스며들게 해, 증발로 냉각 효과를 냅니다. 또한 도시 홍수도 완화합니다. 서울은 일부 인도·공원에 투수성 블록을 깔았지만, 차도는 여전히 불투수입니다.
에너지 효율 개선 - 건물 단열을 강화하고, 에너지 효율이 높은 에어컨을 사용하면 인공 열 방출을 줄일 수 있습니다. 서울시는 "건물 에너지 효율 등급제(BRP)"로 신축 건물에 높은 단열 기준을 요구합니다. 하지만 기존 건물(1990년대 이전)은 단열이 부족해 에너지 소비가 큽니다. 리모델링이 필요하지만, 비용이 많이 듭니다.
열섬의 영향과 취약 계층
열섬은 단순히 온도가 높다는 것 이상의 문제입니다. 건강·에너지·대기질에 광범위한 영향을 미칩니다.
건강 영향 - 폭염 시 도심 거주자는 교외보다 온열 질환 위험이 높습니다. 2018년 폭염 때 서울 온열 질환자는 약 600명, 사망자는 48명이었습니다. 대부분 독거 노인, 쪽방촌 거주자 등 취약 계층이었습니다. 강남·종로 같은 부유한 지역도 열섬은 강하지만, 에어컨 접근성이 높아 피해가 적습니다. 반면 저소득층 밀집 지역(관악구, 금천구 일부)은 에어컨이 없거나 전기 요금 부담으로 사용하지 못합니다. 열섬은 "환경 불평등" 문제이기도 합니다.
에너지 소비 증가 - 도심은 교외보다 냉방 에너지 소비가 많습니다. 서울시 분석에 따르면, 여름철 강남·서초·송파구의 가구당 전력 소비는 관악·은평구보다 약 30% 많습니다. 일부는 소득 차이(에어컨 개수)지만, 일부는 열섬 효과입니다. 외기 온도가 2~3°C 높으면 냉방 부하가 증가합니다. 에너지 소비 증가는 전력망 부담을 높이고, 정전 위험을 증가시킵니다. 2018년 폭염 시 서울 전력 최대 수요는 1,200만 kW로 역대 최고를 기록했습니다.
대기질 악화 - 열섬은 대기 오염을 악화시킵니다. 온도가 높으면 광화학 반응이 활발해져 오존(O₃) 생성이 증가합니다. 2024년 여름 서울 오존 주의보는 총 18회 발령되었는데, 대부분 강남·강동·송파 등 열섬이 강한 지역이었습니다. 또한 열섬은 대기 정체를 유도합니다. 도심이 따뜻해지면 상승 기류가 생기지만, 동시에 주변에서 공기가 모여들며(수렴) 바람이 약해집니다. 바람이 약하면 미세먼지가 정체됩니다.
서울 vs 다른 대도시 열섬 비교
서울의 열섬 강도 +3.2°C는 세계적으로 어느 정도일까요? 주요 대도시와 비교하면 다음과 같습니다.
도쿄(일본): +4.0°C. 인구 약 1,400만 명. 서울보다 열섬이 강합니다. 도쿄는 평야에 위치하고, 건물 밀도가 매우 높습니다. 교외(치바, 사이타마)와 도심(신주쿠, 시부야) 온도 차이가 큽니다.
뉴욕(미국): +3.5°C. 인구 약 850만 명. 맨해튼 도심과 교외(뉴저지, 롱아일랜드) 온도 차이입니다. 뉴욕은 바다에 인접해 있어 해풍이 열섬을 완화합니다.
상하이(중국): +4.5°C. 인구 약 2,500만 명. 세계 최대 도시 중 하나로, 열섬이 매우 강합니다. 양쯔강 삼각주 평야에 위치하고, 녹지가 부족합니다.
파리(프랑스): +2.8°C. 인구 약 220만 명(도시권 1,200만). 서울보다 약간 약합니다. 파리는 고층 건물이 적고(대부분 6층 이하), 공원(룩셈부르크 공원, 튈르리 정원)이 많아 열섬이 약합니다.
서울은 도쿄·상하이보다는 약하지만, 파리보다 강합니다. 인구 1,000만 명 수준 도시로는 평균적입니다. 서울의 특징은 고층 건물 밀도가 매우 높다는 것입니다. 강남·여의도는 50층 이상 빌딩이 밀집해 있어, "도시 협곡(urban canyon)" 효과가 강합니다. 이는 복사냉각을 방해하고, 열섬을 강화합니다.
참고 자료 및 데이터 출처
- 기상청 종관기상관측(ASOS) - 강남 관측소 시간별 기온 데이터 (2014~2024)
- 서울시 자동기상관측(AWS) - 북한산 관측소 기온 데이터 (2014~2024)
- Landsat 8 - 열적외선(TIRS) 위성 영상 (2024년 8월 3일)
- MODIS - Terra/Aqua 지표면 온도 데이터 (NASA)
- 서울시 기후환경본부 - "서울시 도시기후지도 3.0" (2023)
- 국립환경과학원 - "도시 열섬 저감 기술 가이드북" (2022)
- 한국환경정책·평가연구원 - "서울시 열환경 분석 및 관리 방안" (2021)
- Urban Climate (학술지) - 서울 열섬 관련 논문 다수 (2015~2024)