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문제 정의
- 특히 백두산 폭발적 분화에 따른 분출물의 확산과 침적을 정확히 예측 평가하는 것은 매우 중요하다. 본 연구는 백두산 화산 분출물의 확산 예측 정확도를 향상시키기 위하여 다양한 기상자료에 대한 시간적인 평균화가 백두산 화산 분출물의 이류 및 확산 예측에 미치는 영향을 수치실험을 통하여 평가하였다. 연구에 사용한 수치모형은 3차원 대기역학모형인 WRF와 분출물 확산에 적용된 FLEXPART이다.
가설 설정
- , 2010). 그러나 본 연구에서는 분출량 자체보다는 기상장의 시간 평균에 따른 풍하측의 분포를 주로 분석하기 때문에, 72시간 연속적인 분출을 가정하였다. 따라서 입자확산 수치 적분 시간은 72시간으로 설정하고 이때 적용된 각 수치실험별 기상장은 24시간씩 반복된다고 가정하고 입자 분포 및 침적량을 비교 분석하였다.
- 그러나 본 연구에서는 분출량 자체보다는 기상장의 시간 평균에 따른 풍하측의 분포를 주로 분석하기 때문에, 72시간 연속적인 분출을 가정하였다. 따라서 입자확산 수치 적분 시간은 72시간으로 설정하고 이때 적용된 각 수치실험별 기상장은 24시간씩 반복된다고 가정하고 입자 분포 및 침적량을 비교 분석하였다.
- 백두산의 분출이 천지 부근에서 시작된다고 판단하여, 입자 발생원은 점오염원으로 설정하고 배출은 지상에서부터 고도 10 km 고도까지 동일하게 방출된다고 가정하였다. 방출된 입자는 밀도가 2000 kg/m3의 밀도를 가진 화산재로 설정하고, 대기중에서 반응하지 않는다고 가정하였다. 입자는 분당 10개씩 연직고도 10 km까지 균등하게 방출되는 것으로 설정하였다.
- 백두산의 분출이 천지 부근에서 시작된다고 판단하여, 입자 발생원은 점오염원으로 설정하고 배출은 지상에서부터 고도 10 km 고도까지 동일하게 방출된다고 가정하였다. 방출된 입자는 밀도가 2000 kg/m3의 밀도를 가진 화산재로 설정하고, 대기중에서 반응하지 않는다고 가정하였다.
제안 방법
- 먼저 case MON의 월평균 기상장은 WRF에서 2010년 12월 1일부터 31일까지의 자료를 이용하였다. 31일간의 기상 자료를 시간대별로 평균하여 24시간 자료를 생성하여 확산실험을 실시하였다. 그리고 case 10DAY의 기상자료는 12월 10일부터 20일까지 WRF 산출 기상장을 시간대별로 평균하여 작성하였다.
- 방재적 측면에서는 분화이전 시점에 다양한 형태의 분화를 상정하여 화산재 확산 및 피해예측이 요구된다. 그러나 화산피해 예측에는 화산 분화 시점의 정확한 기상장을 상정하기 어렵기 때문에 분화 가능 화산 주변의 평균 기상장을 산출하여 화산분출물의 확산 예측 및 피해 정도를 해석한다. 그러나 대기 기류의 시간과 공간 평균화는 난류성분을 감쇄시키고 주풍 성분을 강화시키는 경향을 가진다(이순환 외, 2009).
- 본 연구에서는 백두산 분출에 따른 풍하지역 특히 한반도에 미치는 영향을 보기위하여 마지막 도메인 결과를 주로 분석에 적용하였다. 그리고 FLEXPART 계산 역시 5 km 격자로 구성된 마지막 도메인의 WRF 계산값을 이용하여 실시하였다.
- 31일간의 기상 자료를 시간대별로 평균하여 24시간 자료를 생성하여 확산실험을 실시하였다. 그리고 case 10DAY의 기상자료는 12월 10일부터 20일까지 WRF 산출 기상장을 시간대별로 평균하여 작성하였다. Case 3DAY는 12월 11일부터 14일까지의 3일간 계산된 기상장을 평균하였으며, 마지막으로 case REAL은 case 3DAY와 동일한 기간 동안의 기상자료를 평균화하지 않고 WRF 계산 자료를 그대로 이용하였다.
- 기상장의 시간 평균화가 백두산 화산의 폭발적 분화를 가정했을 때 미치는 영향을 입자확산과 침적량을 통하여 살펴보았다. Fig.
- 유의성 검증은 평균화되기 이전 WRF 계산 자료와 실제 관측 자료의 비교를 통하여 실시된다. 따라서 case REAL의 3일간의 계산자료와 자동기상관측 장비에서 직접적으로 관측된 온도와 바람장의 RMSE와 IOA를 분석하였다.
- 따라서 대기 흐름장의 평균화 정도에 따른 화산 분출물의 확산 차이에 관한 정보를 정확히 이해할 필요가 있다. 본 연구는 다양한 시간규모로 평균화된 바람장을 적용하여, 백두산 화산 분출물의 확산 예측 수치실험을 실시하였다. 수치실험 결과를 바탕으로 바람정보의 평균화 정도가 화산분출물 확산에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다.
- 각 실험에서 사용된 결과를 분석하기 전에 수치모의 결과에 대한 유의성을 검증하여야 한다. 본 연구에서는 Root Mean Square Error(RMSE)와 Index of Agreement(IOA)를 이용하여 수치실험의 유의성을 검증하였다. 유의성 검증은 평균화되기 이전 WRF 계산 자료와 실제 관측 자료의 비교를 통하여 실시된다.
- 첫 번째 둥지는 한반도, 일본열도, 캄차카 반도를 포함한 동북아시아를 전체를 대상으로 하고, 두 번째도메인은 동해를 중심으로 중국, 일본, 한국을 포함하고, 마지막 도메인은 백두산 분출물의 이동을 고려하여, 한국과 일본을 중심으로 구성하였다. 본 연구에서는 백두산 분출에 따른 풍하지역 특히 한반도에 미치는 영향을 보기위하여 마지막 도메인 결과를 주로 분석에 적용하였다. 그리고 FLEXPART 계산 역시 5 km 격자로 구성된 마지막 도메인의 WRF 계산값을 이용하여 실시하였다.
- 본 연구는 다양한 시간규모로 평균화된 바람장을 적용하여, 백두산 화산 분출물의 확산 예측 수치실험을 실시하였다. 수치실험 결과를 바탕으로 바람정보의 평균화 정도가 화산분출물 확산에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다. 따라서 이들 자료는 백두산 분출물에 의한 재해 예측을 위한 기본 자료로 활용될 수 있을 것이다.
- 수치실험은 백두산 분화를 상정한 기상장의 평균화에 따른 영향을 분석하기 위한 것으로, 본 연구에서는 각 1개월(case MON), 10일(case 10DAY), 3일(case 3DAY), 실시간(case REAL)의 총 4개의 시간 평균을 가진 기상자료를 산출하였다. 각 수치실험의 개요는 Table 2에 나타냈다.
- 그러나 수치모의의 기상장은 단순한 절대값의 차이뿐 아니라 값의 시간변화에 대한 평가도 중요하다. 시간 변화에 대한 수치모의 능력을 평가하기 위하여 두 자료의 상대적인 일치도를 나타내는 IOA를 산출하였다. IOA값은 0에서 1까지 변화하며, 1에 가까울수록 일치도가 높다고 평가한다.
- 수치실험 대상 시기는 기후학적으로 발생빈도가 가장 높은 계절인 겨울철을 대상으로 하였다. 시간평준화 기간은 각 1개월(case MON), 10일(case 10DAY), 3일(case 3DAY)이며, 평준화 하지 않은 경우(case REAL)와 상호 비교하였다.
- 방출된 입자는 밀도가 2000 kg/m3의 밀도를 가진 화산재로 설정하고, 대기중에서 반응하지 않는다고 가정하였다. 입자는 분당 10개씩 연직고도 10 km까지 균등하게 방출되는 것으로 설정하였다. 실제 화산의 분화는 장기간에 걸쳐 매우 불규칙하며 간헐적으로 발생하는 경향이 있으나, 이를 정확히 예측하는 것은 매우 어렵다(Bitar et al.
- 평균화하지 않은 바람장에 의한 분출물의 확산분포를 분석하기 위하여 case REAL에서 계산된 바람의 48시간, 72시간 후의 대기중 입자와 누적침적 분포를 살펴보았다(Fig. 5). 입자 방출 48시간 후인 12월 13일의 분포를 보면 대부분의 입자들이 동쪽 방향으로 이동한다.
대상 데이터
- 그리고 case 10DAY의 기상자료는 12월 10일부터 20일까지 WRF 산출 기상장을 시간대별로 평균하여 작성하였다. Case 3DAY는 12월 11일부터 14일까지의 3일간 계산된 기상장을 평균하였으며, 마지막으로 case REAL은 case 3DAY와 동일한 기간 동안의 기상자료를 평균화하지 않고 WRF 계산 자료를 그대로 이용하였다.
- 백두산 분출물 확산 예측에 사용된 대기역학모형의 계산영역 및 격자정보는 Table 1에 나타냈다. 계산영역은 총 3개 둥지격자로 설정하였으며, 격자간격은 각각 30, 15, 5 km로 하였다(Fig. 1). 그리고 각 도메인의 격자수는 각각 125×125, 191×191, 442×442이다.
- 먼저 case MON의 월평균 기상장은 WRF에서 2010년 12월 1일부터 31일까지의 자료를 이용하였다. 31일간의 기상 자료를 시간대별로 평균하여 24시간 자료를 생성하여 확산실험을 실시하였다.
- 각 수치실험의 개요는 Table 2에 나타냈다. 본 연구는 백두산 분출시기를 특정하기 불가능하기 때문에 화산물의 확산이 한반도에 가장 영향을 줄 가능성이 크다고 판단되는 겨울철 특히 12월을 대상으로 실시하였다.
- 본 연구에서 화산 분출물의 방출지역은 북한과 중국의 국경에 걸쳐있는 장백산맥의 중심에 위치한 고도 2750 m의 백두산(북위 41° 01', 동경 128° 05')으로설정하였다.
- 연구에 사용한 수치모형은 3차원 대기역학모형인 WRF와 분출물 확산에 적용된 FLEXPART이다. 수치실험 대상 시기는 기후학적으로 발생빈도가 가장 높은 계절인 겨울철을 대상으로 하였다. 시간평준화 기간은 각 1개월(case MON), 10일(case 10DAY), 3일(case 3DAY)이며, 평준화 하지 않은 경우(case REAL)와 상호 비교하였다.
- 이렇게 서로 다른 시간간격으로 평균화된 기상장이 FLEXPART 입자 확산의 기본 자료로 사용된다. 이때 각 실험의 제 1 도메인 기상장 초기 및 경계조건은 FNL(Final) Operational Model Global Tropospheric Analysis 자료를 사용하였다. 그리고 제 2와 3도메인의 초기 및 경계조건은 제 1도메인의 결과치를 네스팅하여 사용하였다.
- 그리고 각 도메인의 격자수는 각각 125×125, 191×191, 442×442이다. 첫 번째 둥지는 한반도, 일본열도, 캄차카 반도를 포함한 동북아시아를 전체를 대상으로 하고, 두 번째도메인은 동해를 중심으로 중국, 일본, 한국을 포함하고, 마지막 도메인은 백두산 분출물의 이동을 고려하여, 한국과 일본을 중심으로 구성하였다. 본 연구에서는 백두산 분출에 따른 풍하지역 특히 한반도에 미치는 영향을 보기위하여 마지막 도메인 결과를 주로 분석에 적용하였다.
이론/모형
- WRF에서 계산된 기상요소의 랑주뱅(Langevin) 방정식을 풀어 입자의 이류와 확산을 계산한다. 또한 FLEXPART는 다양한 대기역학모형의 유기적인 결합을 통하여 직접 기상자료를 적용할 수 있다.
- 미물리는 WRF single moment 6 class(WSM-6), 장파복사와 단파복사는 각각 Rapid Radiative Transfer Model(RRTM)과 Dudhia Scheme이다. 그리고 경계층 모형은 Yonsei Univ scheme, 지표면은 Noah Land Surface Scheme, 적운 대류는 Grell 3d ensemble cumulus scheme을 사용하였다.
- 본 연구에서는 화산분출물의 상정한 입자의 확산모델로 라그랑지안 입자 확산 모형인 FLEXPART를 사용하였다. 이 모형은 노르웨이 대기연구소에서 개발된 초기 FLEXPART로부터 개선된 모형으로 점, 선, 면 배출원으로 부터 배출된 입자의 장거리 수송 및 확산, 건성침적, 습성침적 그리고 미립자의 중력강하 등의 계산 모듈을 포함하고 있다.
- 화산 분출물의 확산예측을 위하여서는 대기 기상장을 정확히 예측하는 것이 필수적이다. 본연구에서는 3차원 대기 역학 모형인 Weather Research and Forecasting(WRF)을 통하여 기상장을 산출하였다. WRF는 현업 및 연구에 적용하기위하여 미국 대기연구소(National Center for Atmospheric Research)와 미국 해양대기청 산하 국립환경보호센터(National Ocean and Atmosphere Administration’s National Center for Environment Prediction)에서 개발한 차세대 대기 역학 모형이다(Skamarock et al.
- 본 연구는 백두산 화산 분출물의 확산 예측 정확도를 향상시키기 위하여 다양한 기상자료에 대한 시간적인 평균화가 백두산 화산 분출물의 이류 및 확산 예측에 미치는 영향을 수치실험을 통하여 평가하였다. 연구에 사용한 수치모형은 3차원 대기역학모형인 WRF와 분출물 확산에 적용된 FLEXPART이다. 수치실험 대상 시기는 기후학적으로 발생빈도가 가장 높은 계절인 겨울철을 대상으로 하였다.
성능/효과
- 1) 대기 역학 모형 WRF가 도출한 바람 및 온도는 실측자료와 비교하여 높은 RMSE와 IOA값을 나타내었다. 따라서 본 연구에서 도출한 기상자료는 이후 확산 연구에 적용 가능하며, 통계학적으로 유의미하다.
- 2) 시간 평균화를 실시한 기상장(case MON, case 10DAY, case 3DAY)의 경우 전체적으로 겨울철의 주풍인 북서풍이 강하게 나타난다. 그러나 난류 성분인 남북방향의 진동은 평균화 시간이 짧을수록 강하게 표현된다.
- 3) 백두산 분화에 의한 분출물은 전체적으로 주풍인 북서풍을 타고 이동한다. 그러나 기상장의 시간 평균화과정에서 입자의 이동이 변화한다.
- 4) 지형 및 이동성 고·저기압의 영향이 직접적으로 미치는 하층과 제트기류가 강하게 나타나는 상층은 서로 다른 방향성의 바람이 나타난다.
- 5) 백두산의 폭발적 분화가 한반도에 미치는 영향을 정확히 파악하기 위해서는 가능한 짧은 시간대의 평균 기상장 자료를 이용하여야 하며, 국지적인 저고기압의 분포가 매우 중요하게 작용한다.
- 즉 동해상의 기류는 한반도 상공의 이동성 기단과 정체기단인 시베리아기단의 영향을 동시에 받는다. 따라서 기압 및 바람의 시간 평균화가 이러한 동해상의 기류에 미치는 두 기단의 영향력에 변화를 줄 것으로 판단된다.
- 2a)에서 관측된 고기압과 일치하며, 남해 뿐 아니라 서해 일본 남부까지 고기압성 흐름이 나타난다. 따라서 바람장의 시간 평균에 따른 동해상의 기류 패턴의 차이가 뚜렷하게 변화한다는 것을 확인하였다.
- 1) 대기 역학 모형 WRF가 도출한 바람 및 온도는 실측자료와 비교하여 높은 RMSE와 IOA값을 나타내었다. 따라서 본 연구에서 도출한 기상자료는 이후 확산 연구에 적용 가능하며, 통계학적으로 유의미하다.
- RMSE 역시 평균 풍속이 높게 나타나는 대관령과 울진 등을 제외하고 전체적으로 낮은 값을 유지한다. 따라서 수치실험을 통하여 제시된 기상요소들이 이후 분석에 적용하는데 유의함을 확인하였다.
- 전국 16개 지점에서 관측한 자료를 바탕으로 온도와 풍속에 대한 평균 RMSE와 IOA값을 Table 2에 나타내었다. 전체적으로 지역적인 편차가 있으나, 평균 IOA가 0.82와 0.66으로 0.6 이상의 높은 값을 나타내었다. RMSE 역시 평균 풍속이 높게 나타나는 대관령과 울진 등을 제외하고 전체적으로 낮은 값을 유지한다.
- 정량적인 분석에서 기상자료의 시간 평균에 대한 분출물의 침적량의 차이가 명확하게 나타났는데, 기상자료의 평균화 시간이 길어질수록 동쪽에 위치한 일본쪽의 침적량이 증가하며, 평균화 시간이 짧아질수록 한반도쪽의 침적량이 증가하는 것을 확인하였다. 그러므로 기상자료의 평균화 정도는 바람장 등 기상장의 변화 뿐 아니라 백두산 분화에 의한 분출물의 확산에도 직접적인 영향을 미친다고 할 수 있다.
후속연구
- 특히 종관 기상학적인 기압 분포에 따라 백두산 분화가 한반도에 미치는 영향이 달라진다. 그러나 폭발적 분화시 입자의 분포, 대상기간의 한정 등 본 연구가 가지는 한계에도 불구하고 방재적인 차원에서 백두산 분화가 한반도에 미치는 영향 분석을 위한 기본 자료 마련을 위하여 본 연구가 유용하게 활용되리라 판단한다. 또한 향후 높은 시간 해상도의 기상 자료와 다양한 대기안정도 상태를 고려한 대기조건의 수치 및 관측 실험을 통하여 백두산 분출에 따른 정확한 영향을 파악하는 연구도 필요하리라 판단된다.
- 수치실험 결과를 바탕으로 바람정보의 평균화 정도가 화산분출물 확산에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다. 따라서 이들 자료는 백두산 분출물에 의한 재해 예측을 위한 기본 자료로 활용될 수 있을 것이다.
- 그러나 폭발적 분화시 입자의 분포, 대상기간의 한정 등 본 연구가 가지는 한계에도 불구하고 방재적인 차원에서 백두산 분화가 한반도에 미치는 영향 분석을 위한 기본 자료 마련을 위하여 본 연구가 유용하게 활용되리라 판단한다. 또한 향후 높은 시간 해상도의 기상 자료와 다양한 대기안정도 상태를 고려한 대기조건의 수치 및 관측 실험을 통하여 백두산 분출에 따른 정확한 영향을 파악하는 연구도 필요하리라 판단된다.
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