[논문]계산유체역학모형 CFD_NIMR_SNU를 이용한 국지적으로 가열된 산악지역의 상세 바람 흐름 모사 - 화왕산 산불 사례 -

구해정; 최영진; 김규랑; 변재영

doi:10.5532/kjafm.2009.11.4.192

계산유체역학모형 CFD_NIMR_SNU를 이용한 국지적으로 가열된 산악지역의 상세 바람 흐름 모사 - 화왕산 산불 사례 -
Simulation of Detailed Wind Flow over a Locally Heated Mountain Area Using a Computational Fluid Dynamics Model, CFD_NIMR_SNU - a fire case at Mt. Hwawang - 원문보기

한국농림기상학회지 = Korean Journal of Agricultural and Forest Meteorology, v.11 no.4, 2009년, pp.192 - 205

구해정 (국립기상연구소 응용기상연구과) , 최영진 (국립기상연구소 응용기상연구과) , 김규랑 (국립기상연구소 응용기상연구과) , 변재영 (국립기상연구소 응용기상연구과)

초록
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2009년 2월 9일 화왕산에서는 대보름 행사인 '억새 태우기'가 많은 사람들이 지켜보는 가운데 시작되었지만 예상하지 못한 강풍으로 산불로 확대되어 많은 인명피해가 발생하였다. 본 연구에서는 3차원 계산 유체역학 모형인 CFD_NIMR_SNU 모형을 이용하여 복잡한 산악지역에서 국지적 가열에 따른 바람장을 모사함으로써 이날 발생한 산악 화재의 특성을 분석하였다. 화재가 발생한 지역의 지표 온도는 가열이 없을 때, $300^{\circ}C$ 및 $600^{\circ}C$ 일 때의 3가지 가열 강도조건을 주어 모사하였다. 지표 가열은 화재 발생 지역 중앙에서 수직 바람장을 $0.7m\;s^{-1}(300^{\circ}C)$와 $1.1m\;s^{-1}(600^{\circ}C)$만큼 증가시켰다. 난류운동에너지는 화재의 열에너지 자체 및 열적 순환에 의해 증가된 운동에너지에 의해 증가하였다. 화재로 인한 열은 복잡한 지형과 강한 경계 바람 조건과 함께 화왕산의 예상하지 못한 난류와 강풍 조건을 유도하였다. CFD_NIMR_SNU 모형은 인명피해를 발생시킨 산불을 이해하는데 도움이 되는 귀중한 분석 자료를 제공하였다. 모사 결과에 따르면 화재 발생 지점은 풍상측의 높은 지형으로 인하여 화재 발생 직전까지는 바람이 거의 억제되었던 것으로 보인다. 이러한 바람의 억제는 화재 발생에 따른 뜨거운 공기의 상승과 강한 경계 바람 조건에 의해 쉽게 되돌려졌다. 즉, 강한 경계 바람과 화재로 인한 가열이 함께 작용하여 강한 난류가 만들어졌고, 여러 명의 사상자가 발생한 산악 화재로 확산되었던 것이다. CFD_NIMR_SNU 모형은 중규모 모형과의 결합을 통하여 좁은 영역의 화재로 인한 난류 예보를 생산하는 등 산불 예방을 위해 활용될 수 있을 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

The unexpected wind over the Mt. Hwawang on 9 February 2009 was deadly when many spectators were watching a traditional event to burn dried grasses and the fire went out of control due to the wind. We analyzed the fatal wind based on wind flow simulations over a digitized complex terrain of the mountain with a localized heating area using a three dimensional computational fluid dynamics model, CFD_NIMR_SNU (Computational Fluid Dynamics_National Institute of Meteorological Research_Seoul National University). Three levels of fire intensity were simulated: no fire, $300^{\circ}C$ and $600^{\circ}C$ of surface temperature at the site on fire. The surface heat accelerated vertical wind speed by as much as $0.7\;m\;s^{-1}$ (for $300^{\circ}C$) and $1.1\;m\;s^{-1}$ (for $600^{\circ}C$) at the center of the fire. Turbulent kinetic energy was increased by the heat itself and by the increased mechanical force, which in turn was generated by the thermal convection. The heating together with the complex terrain and strong boundary wind induced the unexpected high wind conditions with turbulence at the mountain. The CFD_NIMR_SNU model provided valuable analysis data to understand the consequences of the fatal mountain fire. It is suggested that the place of fire was calm at the time of the fire setting due to the elevated terrain of the windward side. The suppression of wind was easily reversed when there was fire, which caused updraft of hot air by the fire and the strong boundary wind. The strong boundary wind in conjunction with the fire event caused the strong turbulence, resulting in many fire casualties. The model can be utilized in turbulence forecasting over a small area due to surface fire in conjunction with a mesoscale weather model to help fire prevention at the field.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

2009년 2월 9일 화왕산에서는 대보름 행사인 ‘억새태우기’가 많은 사람들이 지켜보는 가운데 시작되었지만 예상하지 못한 강풍으로 산불로 확대되어 많은 인명피해가 발생하였다. 본 연구에서는 3차원 계산 유체역학 모형인 CFD_NIMR_SNU 모형을 이용하여 복잡한 산악지역에서 국지적 가열에 따른 바람장을 모사함으로써 이날 발생한 산악 화재의 특성을 분석하였다. 화재가 발생한 지역의 지표 온도는 가열이 없을 때, 300^oC 및 600^oC 일 때의 3가지 가열 강도조건을 주어 모사하였다.
본 연구에서는 CFD_NIMR_SNU 모형을 이용하여 산악지역 화재 사건을 사례로 복잡한 지형과 지면 국소 가열이 대기 흐름특성에 어떠한 영향을 주는지 분석하였다.
본 연구에서는 이전에 개발된 삼차원 계산유체역학모형(Baik et al., 2007, Kim and Baik, 2004, NIMR,2006: NIMR, 2007; NIMR, 2008)인 CFD_NIMR_SNU을 실제 산악기상 사례에 적용시켜 보고자 한다. 산악 화재 사례에 대한 여러 가지 가열 조건을 주어 수치 실험을 수행함으로써 국소지역 지면 가열에 의해 형성된 따뜻한 공기가 주변의 흐름 특성에 어떠한 영향을 미치는지 이해하고, 향후 국지기상 예보에 대한 이 모형의 활용 가능성을 고찰하고자 한다.
산악 화재 사례에 대한 여러 가지 가열 조건을 주어 수치 실험을 수행함으로써 국소지역 지면 가열에 의해 형성된 따뜻한 공기가 주변의 흐름 특성에 어떠한 영향을 미치는지 이해하고, 향후 국지기상 예보에 대한 이 모형의 활용 가능성을 고찰하고자 한다.

가설 설정

또한 모델영역의 해발최저고도는 478.1m 이나, 계산의 부하량을 최소화하기 위하여 모델 영역 내 최저 고도를 0.0m로 가정 하였다.
화재 실험을 위해 Fig. 1(b)의 F영역인 발화지점(해발 757m 배바위 근처 가로 70m, 세로 70m)의 지면온도를 300oC와 600^oC로 가정하고 적분시간 동안 동일한 조건을 유지하도록 하였다. Kim et al.

제안 방법

화재가 발생한 지역의 지표 온도는 가열이 없을 때, 300oC 및 600oC 일 때의 3가지 가열 강도조건을 주어 모사하였다.
복잡한 지형으로 이루어진 지역에서 국소 지면 가열이 없는 경우를 포함하여 가열 온도가 300^oC인 경우와 600^oC인 경우에 대하여 수치 모의한 결과를 분석하였다. 각각의 경우에 대한 수평 바람장 분포와 연직바람 분포를 Figs.
특히, 열역학 방정식 과정이 추가됨으로써 기존의 CFD모형들이 해결하지 못한 기온 변화에 따른 기류변화를 잘 모사할 수 있도록 설계되었다.

대상 데이터

2009년 2월 9일 1820 LST경 강풍에 의해 발생된 산악 화재 사례를 연구대상일로 선정하였다.
CFD_NIMR_SNU 모형은 인명피해를 발생시킨 산불을 이해하는데 도움이 되는 귀중한 분석 자료를 제공하였다.
본 연구를 위해 경상남도 창녕군 화왕산 지역의 해발고도 757m정상에 위치한 배바위 지점(위도 35.5472oN, 경도 128.532778oE)을 연구대상으로 설정하였다(Fig. 1).

이론/모형

계산 영역으로 유입되는 초기값은 1km 수평해상도의 중규모 모형 WRF(Weather Research and Forecasting, Skamarock et al., 2005)로부터 모의된 결과를 이용하였다.
, 2005)로부터 모의된 결과를 이용하였다. 사용된 WRF 모형은 ARW(Advanced Research WRF) 버전 3.1이다. 여기서 2009년 2월 9일 1500 LST 사례의 4시간 후의 예측 결과를 사용하였다.
이 모형은 비압축성, 비정수, 비회전 방정식 계를 고려하며, 운동량과 질량, 스칼라, 그리고 난류 운동 에너지와 소멸률 등에 관한 지배 방정식은 엇갈림 격자계에서 유한 체적(finite volume)법으로 수치적으로 계산되고, SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) 알고리즘(Patankar, 1980)을 이용하여 차분화 된다(Baik et al., 2003; Kim and Baik, 2004).
화재 사례에 대한 수치 모의를 위해 사용한 모형은 레이놀즈 평균 유동 방정식(RANS; Reynolds Averaged Numerical Scheme)으로 이루어진 계산 유체 역학(Computational Fluid Dynamics, 이하 CFD) 모형인 CFD_NIMR_SNU로서 Kim and Baik(2001, 2004)에 의해 개발되어 도시 지역 등에서의 상세한 기상 및 대기 확산 현상을 밝히는데 사용되는 삼차원 미 기상 모형이다.

성능/효과

(b)), 산 정상부 풍상측에서 지형효과에 의해 수평 바람이 강하게 불고 산정상을 넘어가면서 그 후면에서 풍속이 약화되는 것을 확인할 수 있다.
그 결과 국소 지면가열이 없는 경우 풍상측에는 수평바람이 강하고 발생지역에서 바람이 약한 상태였으나, 국소 지면가열이 존재하는 경우에는 고온으로 가열된 지역에서 연직으로는 강한 상승류가, 수평적으로는 수렴 속이 생성됨을 확인하였다.
이 같은 흐름이 화재발생지역 주변을 대상으로 와류 발생을 유도할 수 있음을 알았다. 또한 가열 온도가 높을수록 수평 수렴과 상승류가 강화되었으며, 이는 열적인 효과가 난류 운동 에너지 변화에 영향을 준 것으로 해석된다. 이 결과를 통해 복잡한 지형에서 지형적 특성과 열적 특성이 결합되어 국지적으로 강한 소용돌이가 유도될 수 있음을 확인하였다.
뿐만 아니라 실제 산불 사례에서 강한 지면가열에 의해 발생한 돌풍의 수직 상승 높이가 약 20m에 이르는 점을 감안하면 본 실험연구가 산악 화재의 효과를 어느 정도 잘 모사함을 확인할 수 있었다.
이 결과를 통해 복잡한 지형에서 지형적 특성과 열적 특성이 결합되어 국지적으로 강한 소용돌이가 유도될 수 있음을 확인하였다.
즉, 가열의 강도가 세어질수록 상승류가 나타나는 면적이 증가할 뿐 아니라 수평적으로 수렴이 이루어지는 높이도 산 정상부쪽으로 이동한 것을 확인할 수 있다.
본 연구에서는 CFD_NIMR_SNU 모형을 이용하여 산악지역 화재 사건을 사례로 복잡한 지형과 지면 국소 가열이 대기 흐름특성에 어떠한 영향을 주는지 분석하였다. 특히, 중규모 기상 모형에서는 해상도의 한계로 모의되지 못한 지면 가열에 의한 바람장의 흐름을 이 모형에서는 잘 모사하는 것으로 나타났다. 그 결과 국소 지면가열이 없는 경우 풍상측에는 수평바람이 강하고 발생지역에서 바람이 약한 상태였으나, 국소 지면가열이 존재하는 경우에는 고온으로 가열된 지역에서 연직으로는 강한 상승류가, 수평적으로는 수렴 속이 생성됨을 확인하였다.

후속연구

CFD_NIMR_SNU 모형은 중규모 모형과의 결합을 통하여 좁은 영역의 화재로 인한 난류 예보를 생산하는 등 산불 예방을 위해 활용될 수 있을 것이다.
즉 현재 3시간 간격으로 제공되는 기상청의 중규모 수치 예보자료를 초기조건으로 하여 특정 지역에 대한 바람장을 미리 예측함으로써 산불 발생가능 지역의 조기 대비를 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
향후 산곡풍과 같은 중규모 흐름의 효과를 적절하게 반영하기 위해 복사 전달 과정이 포함된 지표 물리 과정의 개선과 중규모 모형과의 결합 연구 등에 관한 다양한 실험 및 검증 연구가 지속적으로 수행될 것이다.
그러나 본 사례에 적용된 CFD_NIMR_SNU 모형에서는 복사 전달에 의한 대기의 가열효과가 충분하게 고려되지 못하여 흐름 특성이 다소 약하게 나타난 것으로 판단된다. 향후 이에 대한 보완이 이루어진다면 복사 전달 효과에 의한 연직 풍속이 더욱 강화될 수 있을 것으로 보이며, 좀 더 현실적인 모의가 가능할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	중규모 수치 모형의 한계점은 무엇인가?	이는 실제 화재가 발생한 지점의 풍속 강화에 다른 요인들이 작용한 것으로 해석할 수 있다. 여기서 고려해야 할 사항은 중규모 수치 모형은 1km 해상도의 지형을 고려하므로 그 이하의 좀 더 복잡한 지형효과를 반영하기 어렵다는 특성이 있으며, 또한 강제적으로 가열된 지면효과를 나타내지 못하여 정확한 예측에 한계가 있을 수 있다. 그리하여 그 이하의 규모에 대한 정확한 해석을 위해서는 고해상도 기상관측과 수치 모의가 필요하게 된다.
	역학적으로 생성된 난류의 특징은 무엇인가?	대기 중의 공기 흐름은 난류 흐름 특성을 가지며, 역학적으로 생성된 난류 운동 에너지와 열적으로 형성된 난류 운동 에너지로 구분할 수 있다(Tennekes and Lumley, 1973). 역학적으로 생성된 난류는 중립안정도를 가진 바람이 강한 밤에 지배적이며, 지표 기복이 크고 풍속이 강할 때 강해진다. 반면, 열적 난류는 주로 바람이 아닌 하층대기의 급 가열로 인하여 공기의 밀도가 작아져 부력항과 지표면의 마찰력에 의해 바람의 비틀림(tilting)에 의한 상승이 일어날 때 위치 에너지가 커져 발생한다.
	CFD_NIMR_SNU 모형은 어떠한 한계가 있을 수 있는가?	특히, 열역학 방정식 과정이 추가됨으로써 기존의 CFD모형들이 해결하지 못한 기온 변화에 따른 기류변화를 잘 모사할 수 있도록 설계되었다. 그렇지만 이 모형은 개발 당시 도시 건물 주변에서의 흐름을 분해하기 위해 개발된 모형이어서 아직까지 식생효과는 포함하고 있지 않아 화재의 진화과정을 정확하게 모사하는데는 한계가 있을 수 있다. 그러나 기본적으로 산악의 복잡한 지형 특성은 도시 지역의 건물의 복잡한 특성과 많은 부분 유사성이 있는 것으로 판단되며(Oke, 1987, Arya, 2001), 중규모 모형에서 분해하기 어려운 수 미터 규모의 복잡한 지형적 특성과 강제 가열 효과를 해석하기 위한 대안으로 적절한 도구라 사료된다.

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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