본 연구는 복잡한 산악지형에서 바람장 변화를 해석하고, 산불발생시 확산방향을 예측하여 산불방지 전략에 활용하기 위해서 수행되었다. 연구 대상지는 2000년 4월 7일 산불이 발생하여 10일간 진행되었던 삼척지역을 대상으로 하였다. 삼척 산불피해지는 복잡한 산악구조를 가지고 있는데 먼저 중규모 기상 모델인 WRF를 사용하여 대상지에 설치한 AWS(4 지점)의 관측결과와 비교하였다. WRF 모의 결과, 4개 지점의 풍속은 AWS 관측지점의 풍속에 비해 5~8m/s(200% 과대평가) 강하였으며, 관측된 풍향은 지점마다 다양하게 나타난 것에 비해 모의된 풍향은 모든 지점에서 서풍계열로 나타났다. 결과적으로 WRF와 같은 중규모 기상모델은 복잡한 산악지형에서의 바람장 변화를 잘 모의하지 못하였다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 미기상 대기유동장 수치모형인 ENVI-met 프로그램을 이용하여 지표면 높이에서 삼척 LTER 지역의 국지규모 바람장을 모의하였다. 지형효과에 의한 모델의 민감도를 위해 다양한 초기 조건(기류, 온 습도, 대기난류, 토양 및 식생 모형)들을 고려하여 분석하였다. ENVI-met 모의결과, 풍속은 실측과 비교할 때 약 70%의 정확도를 보였으며, 풍향은 계곡부와 능선부에서 지형효과로 인한 변화를 잘 반영하였다. 향후 ENVI-met은 산불확산예측 및 산불방지전략 수립을 위해 미기상 대기유동장 수치모형을 이용하여 산악지역의 미기상 해석에 관한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
본 연구는 복잡한 산악지형에서 바람장 변화를 해석하고, 산불발생시 확산방향을 예측하여 산불방지 전략에 활용하기 위해서 수행되었다. 연구 대상지는 2000년 4월 7일 산불이 발생하여 10일간 진행되었던 삼척지역을 대상으로 하였다. 삼척 산불피해지는 복잡한 산악구조를 가지고 있는데 먼저 중규모 기상 모델인 WRF를 사용하여 대상지에 설치한 AWS(4 지점)의 관측결과와 비교하였다. WRF 모의 결과, 4개 지점의 풍속은 AWS 관측지점의 풍속에 비해 5~8m/s(200% 과대평가) 강하였으며, 관측된 풍향은 지점마다 다양하게 나타난 것에 비해 모의된 풍향은 모든 지점에서 서풍계열로 나타났다. 결과적으로 WRF와 같은 중규모 기상모델은 복잡한 산악지형에서의 바람장 변화를 잘 모의하지 못하였다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 미기상 대기유동장 수치모형인 ENVI-met 프로그램을 이용하여 지표면 높이에서 삼척 LTER 지역의 국지규모 바람장을 모의하였다. 지형효과에 의한 모델의 민감도를 위해 다양한 초기 조건(기류, 온 습도, 대기난류, 토양 및 식생 모형)들을 고려하여 분석하였다. ENVI-met 모의결과, 풍속은 실측과 비교할 때 약 70%의 정확도를 보였으며, 풍향은 계곡부와 능선부에서 지형효과로 인한 변화를 잘 반영하였다. 향후 ENVI-met은 산불확산예측 및 산불방지전략 수립을 위해 미기상 대기유동장 수치모형을 이용하여 산악지역의 미기상 해석에 관한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
In this paper we interpreted the changes in wind field over complex mountainous terrains. The results of our study can be applied for predicting the direction of fire spread and for establishing strategies for fire prevention. The study area is bounded by $12{\times}12$ km domains of the ...
In this paper we interpreted the changes in wind field over complex mountainous terrains. The results of our study can be applied for predicting the direction of fire spread and for establishing strategies for fire prevention. The study area is bounded by $12{\times}12$ km domains of the Samcheok's long-term ecological research (LTER) site located in the east coast, in which a large-fire had occurred from 7 to 13 April 2000. Because of the area's complex topography, we compared the result of the Weather Research and Forecasting (WRF) mesoscale model with those observed by four automated weather stations. The WRF simulation overestimated the wind speed by 5 to 8 m/s (~200%) in comparison with those from four automated weather stations. The wind directions observed by the AWSs were from various directions whereas those from WRF model were mostly west wind at all stations. Overall, the simulations by the WRF mesoscale models were not appropriate for the estimation of microscale wind fields over complex mountainous areas. To overcome such inadequacy of reproducing the wind fields, we employed the ENVI-met model over Samcheok's LTER site. In order to test the model's sensitivity with the terrain effects, experimental simulations were conducted with various initial conditions. The simulation results of the ENVI-met model showed a reasonable agreement in wind speeds (about 70% accuracy) with those of the four AWSs. Also, that the variations in wind directions agreed reasonably well with changes in terrain effect. We concluded that the ENVI-met model is more appropriate in representing the microscale wind field over complex mountain terrains, which is required to predict fire spread and to establish strategies for forest fire prevention.
In this paper we interpreted the changes in wind field over complex mountainous terrains. The results of our study can be applied for predicting the direction of fire spread and for establishing strategies for fire prevention. The study area is bounded by $12{\times}12$ km domains of the Samcheok's long-term ecological research (LTER) site located in the east coast, in which a large-fire had occurred from 7 to 13 April 2000. Because of the area's complex topography, we compared the result of the Weather Research and Forecasting (WRF) mesoscale model with those observed by four automated weather stations. The WRF simulation overestimated the wind speed by 5 to 8 m/s (~200%) in comparison with those from four automated weather stations. The wind directions observed by the AWSs were from various directions whereas those from WRF model were mostly west wind at all stations. Overall, the simulations by the WRF mesoscale models were not appropriate for the estimation of microscale wind fields over complex mountainous areas. To overcome such inadequacy of reproducing the wind fields, we employed the ENVI-met model over Samcheok's LTER site. In order to test the model's sensitivity with the terrain effects, experimental simulations were conducted with various initial conditions. The simulation results of the ENVI-met model showed a reasonable agreement in wind speeds (about 70% accuracy) with those of the four AWSs. Also, that the variations in wind directions agreed reasonably well with changes in terrain effect. We concluded that the ENVI-met model is more appropriate in representing the microscale wind field over complex mountain terrains, which is required to predict fire spread and to establish strategies for forest fire prevention.
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문제 정의
따라서 본 연구의 목적은 종관적으로 기상 분석이 용이한 WRF와 미규모 기상분석에 사용되는 ENVI-met을 이용하여 바람 변화를 모의하고 실제로 산악지형에 설치된 AWS의 풍향 및 풍속 관측자료를 비교·분석하고자 한다.
본 연구는 복잡한 산악지형에서 바람장 변화를 해석하고, 산불발생시 확산방향을 예측하여 산불방지 전략에 활용하기 위해서 수행되었다. 연구 대상지는 2000년 4월 7일 산불이 발생하여 10일간 진행되었던 삼척지역을 대상으로 하였다.
본 연구에서는 2000년 산불피해지이며 지형적으로 복잡한 구조를 가진 삼척지역을 선택하여 미규모 기상 모델인 ENVI-met의 활용 가능성을 파악하자고 WRF와 비교 모의하였다. 최소 1km 격자인 WRF와 100m 격자인 ENVI-met을 실제지형과 비교한 결과 ENVI-met이 실제 지형과 더 비슷하게 나타났다.
제안 방법
WRF 모델은 2007년 4월 29일 09KST부터 30일 09KST까지 총 24시간 적분하였으며, 모의결과의 6시간 자료를 ENVI-met의 입력 자료 값으로 주었다. Fig.
4와 같이 환경부에서 제공한 약 100m 해상도의 3초 Digital Elevation Model (DEM)을 사용하여 x방향, y방향 모두 100m 간격으로 120격자(12km×12km)로 구성하였다. z(연직) 방향은 지표부근의 상세한 계산을 위해 지표부근에서는 조밀한 격자간격을 가지고 상층으로 갈수록 넓어지는 Telescoping 방식(20%)으로 하여 23개층으로 나누었으며 모델 꼭대기층은 815m로 설정하였다.
각 AWS 지점별 풍향·풍속은 10분 간격으로 측정된 데이터를 시간대별 평균으로 작성하였다.
각각의 수평격자 간격은 Domain 1이 27km, Domain 2가 9km, Domain 3이 3km 그리고 Domain 4가 1km로 각각 100×100 grid로 설정하여 1-way nesting을 하였다.
본 연구는 미규모 모델과 중규모 모델을 비교하기 위하여 WRF의 Domain 4를 미규모 모델인 ENVImet의 영역만큼 잘라내어 그 결과를 ENVI-met 결과와 비교하였다. 중규모 모델인 WRF는 지형의 최고 고도가 700m였으며 항공사진과 비교해 보았을 때 주요 능선 및 골을 개략적으로 표현하고 있으나 복잡한 형태의 모습은 보이고 있지 않다(Fig.
연구 대상지는 2000년 4월 7일 산불이 발생하여 10일간 진행되었던 삼척지역을 대상으로 하였다. 삼척 산불피해지는 복잡한 산악구조를 가지고 있는데 먼저 중규모 기상 모델인 WRF를 사용하여 대상지에 설치한 AWS(4 지점)의 관측결과와 비교하였다. WRF 모의 결과, 4개 지점의 풍속은 AWS 관측지점의 풍속에 비해 5~8m/s(200% 과대평가) 강하였으며, 관측된 풍향은 지점마다 다양하게 나타난 것에 비해 모의된 풍향은 모든 지점에서 서풍계열로 나타났다.
ENVI-met은 유체역학과 열역학의 기본 법칙에 기초를 둔 3차원 예측모델이다. 이 모델은 빌딩 사이와 주변의 흐름, 지표면과 벽에서 열과 수증기의 교환과정, 난류, 식물간의 교환, 생물기후학, 분자확산을 모의한다. 바람장과 열적 난류와 같은 유체역학 모수들의 계산을 결합하고 0.
결과적으로 WRF와 같은 중규모 기상모델은 복잡한 산악지형에서의 바람장 변화를 잘 모의하지 못하였다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 미기상 대기유동장 수치모형인 ENVI-met 프로그램을 이용하여 지표면 높이에서 삼척 LTER 지역의 국지규모 바람장을 모의하였다. 지형효과에 의한 모델의 민감도를 위해 다양한 초기 조건(기류, 온·습도, 대기난류, 토양 및 식생 모형)들을 고려하여 분석하였다.
지형효과에 의한 모델의 민감도를 위해 다양한 초기 조건(기류, 온·습도, 대기난류, 토양 및 식생 모형)들을 고려하여 분석하였다.
대상 데이터
31 E)을 중심으로 Fig. 2(a)와 같이 총 4개의 영역을 설정하였고, 지형자료는 미국 지질조사국(USGS)에서 제공한 30초(약 1km) 지형자료를 사용하였다. 각각의 수평격자 간격은 Domain 1이 27km, Domain 2가 9km, Domain 3이 3km 그리고 Domain 4가 1km로 각각 100×100 grid로 설정하여 1-way nesting을 하였다.
또한 입력자료는 NCEP/NCAR (National Centers for Environmental Prediction/National Centers for Atmospheric Research)에서 제공하는 GDAS (Global Data Assimilation System) 분석 자료로서 6시간 간격의 자료이며 1°×1°의 해상도를 갖는다.
본 연구에서 ENVI-met의 모델링 설정영역은 Fig.4와 같이 환경부에서 제공한 약 100m 해상도의 3초 Digital Elevation Model (DEM)을 사용하여 x방향, y방향 모두 100m 간격으로 120격자(12km×12km)로 구성하였다.
본 연구는 복잡한 산악지형에서 바람장 변화를 해석하고, 산불발생시 확산방향을 예측하여 산불방지 전략에 활용하기 위해서 수행되었다. 연구 대상지는 2000년 4월 7일 산불이 발생하여 10일간 진행되었던 삼척지역을 대상으로 하였다. 삼척 산불피해지는 복잡한 산악구조를 가지고 있는데 먼저 중규모 기상 모델인 WRF를 사용하여 대상지에 설치한 AWS(4 지점)의 관측결과와 비교하였다.
중규모 모델인 WRF와 지형 형태에 따른 풍향 및 풍속을 비교하기 위하여 WRF 모델의 결과로 생성되어진 기상 요소를 ENVI-met 모델의 초기 입력 자료로 사용하였다(Table 2).
이론/모형
난류는 Mellor and Yamada(1975)에 의해 수행된 E-epsilon 1.5order closure (E-epsilon 또는 K-epsilon 모델)를 사용하여 계산된다.
본 사례를 연구하기 위하여 사용한 중규모 모델은 WRF V2.1.2(Wang et al., 2005)이다. WRF의 모델 설계는 삼척 헬기장(37.
사례연구에 사용된 미규모 모델은 ENVI-met 3.0(Michael, 2004)이다. ENVI-met은 유체역학과 열역학의 기본 법칙에 기초를 둔 3차원 예측모델이다.
이 모델의 지배방정식들을 보면 바람장을 계산하기 위해 식생 요소에 의해 생성되는 마찰력을 고려하였으며, 부씨네스크(Boussinesq) 어림한 비정역학, 비압축성의 나비어-스토크 3차원 방정식(Navier-Stokes equation)을 사용하였다.
토양모형은 Clapp and Hornberger(1978)의 방정식을 사용하여 계산된다. 수력의 방정식은 식물 뿌리를 고려한 물의 생성 소멸항을 포함한다.
성능/효과
지형효과에 의한 모델의 민감도를 위해 다양한 초기 조건(기류, 온·습도, 대기난류, 토양 및 식생 모형)들을 고려하여 분석하였다. ENVI-met 모의결과, 풍속은 실측과 비교할 때 약 70%의 정확도를 보였으며, 풍향은 계곡부와 능선부에서 지형효과로 인한 변화를 잘 반영하였다. 향후 ENVI-met은 산불확산예측 및 산불방지전략 수립을 위해 미기상 대기유동장 수치모형을 이용하여 산악지역의 미기상 해석에 관한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
삼척 산불피해지는 복잡한 산악구조를 가지고 있는데 먼저 중규모 기상 모델인 WRF를 사용하여 대상지에 설치한 AWS(4 지점)의 관측결과와 비교하였다. WRF 모의 결과, 4개 지점의 풍속은 AWS 관측지점의 풍속에 비해 5~8m/s(200% 과대평가) 강하였으며, 관측된 풍향은 지점마다 다양하게 나타난 것에 비해 모의된 풍향은 모든 지점에서 서풍계열로 나타났다. 결과적으로 WRF와 같은 중규모 기상모델은 복잡한 산악지형에서의 바람장 변화를 잘 모의하지 못하였다.
풍향의 경우 WRF는 북서풍이나 서풍을 일정하게 표현하였지만 ENVI-met은 검봉산, 헬기장 그리고 소공령에서 WRF보다 실제 관측 방향에 가깝게 모의하였다. 또한 ENVI-met은 6시간 간격으로 네 개의 시간대별로 각각 보았을 때 입력 자료의 풍향에 의해 각 위치별 풍향이 변한다는 사실도 알 수 있었다. 즉 서풍으로 주어진 15시, 21시 그리고 03시의 경우는 비슷한 풍향을 보이지만 북서풍으로 주어진 09시 자료는 나머지 세 개의 시간대와 다른 풍향을 보였다.
5m/s의 차이를 보였다. 즉, WRF는 300% 과대 모의하였고, ENVImet의 경우는 50% 과대 모의하였음을 알 수 있었다. 따라서 ENVI-met 등을 활용한 미세규모의 바람장 해석 결과를 산불위험예측에 활용한다면 신속한 산불진화뿐만 아니라 경계피난을 통해 인명피해를 최소화함으로써 산불방지전략 수립에 도움이 되리라 사료된다.
본 연구에서는 2000년 산불피해지이며 지형적으로 복잡한 구조를 가진 삼척지역을 선택하여 미규모 기상 모델인 ENVI-met의 활용 가능성을 파악하자고 WRF와 비교 모의하였다. 최소 1km 격자인 WRF와 100m 격자인 ENVI-met을 실제지형과 비교한 결과 ENVI-met이 실제 지형과 더 비슷하게 나타났다. 풍향의 경우 WRF는 북서풍이나 서풍을 일정하게 표현하였지만 ENVI-met은 검봉산, 헬기장 그리고 소공령에서 WRF보다 실제 관측 방향에 가깝게 모의하였다.
즉 서풍으로 주어진 15시, 21시 그리고 03시의 경우는 비슷한 풍향을 보이지만 북서풍으로 주어진 09시 자료는 나머지 세 개의 시간대와 다른 풍향을 보였다. 풍속의 경우에는 WRF가 실제 관측치보다 약 5~10m/s 과대 모의하였고, ENVI-met은 실제관측치보다 과소 모의하는 경우도 있었지만 대체적으로 0.5~1.5m/s의 차이를 보였다. 즉, WRF는 300% 과대 모의하였고, ENVImet의 경우는 50% 과대 모의하였음을 알 수 있었다.
후속연구
즉, WRF는 300% 과대 모의하였고, ENVImet의 경우는 50% 과대 모의하였음을 알 수 있었다. 따라서 ENVI-met 등을 활용한 미세규모의 바람장 해석 결과를 산불위험예측에 활용한다면 신속한 산불진화뿐만 아니라 경계피난을 통해 인명피해를 최소화함으로써 산불방지전략 수립에 도움이 되리라 사료된다.
ENVI-met 모의결과, 풍속은 실측과 비교할 때 약 70%의 정확도를 보였으며, 풍향은 계곡부와 능선부에서 지형효과로 인한 변화를 잘 반영하였다. 향후 ENVI-met은 산불확산예측 및 산불방지전략 수립을 위해 미기상 대기유동장 수치모형을 이용하여 산악지역의 미기상 해석에 관한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
미기상학이란 무엇인가?
대기 운동의 규모는 일반적으로 미규모, 중규모 그리고 대규모로 분류되어진다. 미기상학은 미규모에 속하며 지표면과 인접하여 일반적으로 마찰효과를 갖는 얕은 층인 대기 경계층 또는 행성 경계층 안에서 일어나는 대기현상을 다루는 학문이다. 특히, 우리나라 같은 복잡지형 조건에서는 지형에 의한 바람장의 공간변화가 매우 크기 때문에(Kim, 2008), 국토의 64%를 차지하는 산림의 산악기상은 산악지방 특유의 기상을 조사하는 학문으로서 지형효과가 주로 연구대상이 된다(김, 1992).
대기 운동의 규모는 어떻게 분류되는가?
대기 운동의 규모는 일반적으로 미규모, 중규모 그리고 대규모로 분류되어진다. 미기상학은 미규모에 속하며 지표면과 인접하여 일반적으로 마찰효과를 갖는 얕은 층인 대기 경계층 또는 행성 경계층 안에서 일어나는 대기현상을 다루는 학문이다.
ENVI-met은 어떤 것들을 모의할 수 있는가?
ENVI-met은 유체역학과 열역학의 기본 법칙에 기초를 둔 3차원 예측모델이다. 이 모델은 빌딩 사이와 주변의 흐름, 지표면과 벽에서 열과 수증기의 교환과정, 난류, 식물간의 교환, 생물기후학, 분자확산을 모의한다. 바람장과 열적 난류와 같은 유체역학 모수들의 계산을 결합하고 0.5m와 10m사이의 분해능을 사용하여 테라스, 발코니와 같은 기하학적으로 복잡한 것에 대해 모의할 수 있다.
참고문헌 (14)
Clapp, R. B., and G. Hornberger, 1978: Empirical equations for some soil hydraulic properties, Water Resource Research, 14(4), 601-604. doi:10.1029/WR014i004p00601
Jung, W. S., J. K. Park, H. W. Lee, and E. B. Kim, 2006: Variation of wind field over the leeward area according to the local-scale geographical variation under strong wind condition. Atmosphere 16(3), 169-185. (in Korean with English abstract)
Kim, H. G., 2008: A sensitivity analysis method of wind flow prediction models in complex terrain. Proceeding of the 47th Meeting of KOSAE, Korean Society for Atmospheric Environment, 177-178
Kim, J. H., and I. U. Chung, 2006: Study on mechanisms and orographic effect for the springtime downslope Windstorm over the Yeongdong region. Atmosphere 16(2), 67-83. (in Korean with English abstract)
Mellor, G. L., and T. Yamada, 1975: A simulation of the Wangara atmospheric boundary layer data, Journal of the Atmospheric Sciences, 32(12), 2309-2329. doi:10.1175/1520-0469(1975)032 2.0.CO;2
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Wang, W., D. Barker, C. Bruyere, J. dudhia, D. Gill and J. Michalakes, 2005: User's Guide for Advanced Research WRF(ARW) Modeling System Version 2.1, 88pp.
Yoon, J. W., and K. D. Min, 2004: Numerical simulations of local wind field at the Naro space center by MUKLIMO with terrain and surface effects. Journal of Korean Earth Science Society 25(8), 784-798. (in Korean with English abstract)
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