[논문]실시간 대화형 화산재 확산 예측 시스템 개발

김해동; 이호만

doi:10.5322/jesi.2014.23.3.527

실시간 대화형 화산재 확산 예측 시스템 개발
Developing Interactive Simulator for Predicting Volcanic Ash 원문보기

Journal of environmental science international = 한국환경과학회지, v.23 no.3, 2014년, pp.527 - 532

김해동 (계명대학교 지구환경학과) , 이호만 (기상청 관측기반국 지진정책과)

Abstract ▼ AI-Helper

According to the analysis of volcanic observation data around Korean peninsula, the activities of volcano increase continuously. For example, the volcanic eruption of Mt. Sakurajima is an example, and Mt. Baekdu can be another example potentially. In these regards, developing unified system including realtime prediction and 3D visualization of volcano ash are important to prepare the volcanic disaster systematically. In this technical report, an interactive simulator embedding dispersion algorithm and 3D visualization engine is developed. This system can contribute to the realtime prediction of volcanic disaster scientifically.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

또한, 화산 분화 상황 발생 시 컴퓨터 네트워크 시스템에 장애가 있다 하더라도 프로그램이 독립적으로 실행될 수 있도록 하였다. 본 시스템은 C++언어로 멀티 플랫폼을 지원하는 QT(핀란드 노키아사에서 개발한 멀티플랫폼 환경을 지원하는 프로그래밍 도구) 개발 환경에서 개발한다. QT 개발 환경에서 구현된 프로그램은 기본적으로 Windows, Linux, Mac OS X 의 세 가지 운영체제 환경을 모두 지원할 수 있기 때문에 동일한 프로그램 소스코드를 기반으로 다양한 컴퓨팅 환경에서 구동 가능한 프로그램을 구현하였다.
따라서 백두산 화산 재해 저감을 위해 상황이 발생할 경우 실시간 예측 및 3D 표출을 통해 효율적이고 체계적인 정보생산·전달이 가능한 화산재 확산 대응 시스템 구축이 필요하다. 본 연구에서는 화산재 확산 알고리즘 및 3D 표출 엔진을 탑재한 실시간 대화형 백두산 화산재 확산 예측 시스템을 개발하였다. 이 시스템은 화산재해에 대한 즉각적이고 과학적인 대응능력을 향상시키는데 기여할 것으로 사료된다.

가설 설정

화산재 입자는 그 화학적 조성이 단일한 종류의 입자가 아니지만 역학적인 관점에서는 화산재 입자의 밀도와 크기만 고려하면 된다. 본 예측 모델에서는 화산재 입자와 대기성분 사이에 화학적 반응은 없다고 가정한다.
이 때 입자들의 분포는 가우스 분포를 따른다고 가정한다. 앞의 입자의 움직임 계산에서 속도의 랜덤 항에 가우스 분포를 도입했기 때문에 타당한 가정이다. (x_k, y_k, z_k)는 k번 째 입자의 위치이고, #, #, #는 각각 가우스 분포의 위치 표준 편차이고, z_g는 지표면의 고도이다.
주어진 격자 공간 안에 분포하는 입자들의 평균적인 분포를 계산해서 이를 농도 계산의 기초로 삼는다. 이 때 입자들의 분포는 가우스 분포를 따른다고 가정한다. 앞의 입자의 움직임 계산에서 속도의 랜덤 항에 가우스 분포를 도입했기 때문에 타당한 가정이다.

제안 방법

본 시스템은 C++언어로 멀티 플랫폼을 지원하는 QT(핀란드 노키아사에서 개발한 멀티플랫폼 환경을 지원하는 프로그래밍 도구) 개발 환경에서 개발한다. QT 개발 환경에서 구현된 프로그램은 기본적으로 Windows, Linux, Mac OS X 의 세 가지 운영체제 환경을 모두 지원할 수 있기 때문에 동일한 프로그램 소스코드를 기반으로 다양한 컴퓨팅 환경에서 구동 가능한 프로그램을 구현하였다. 유저 인터페이스는 GUI(Graphical user interface)를 지원하며, 현업 기상자료, 또는 기후자료를 손쉽고 직관적으로 확산모델의 배경장으로 선택 가능하게 하였다.
본 연구에서 개발한 시스템은 데스크탑 환경에서 DB자료를 자체적으로 보유하고 독립적으로 구동 가능하다. 또한, 화산 분화 상황 발생 시 컴퓨터 네트워크 시스템에 장애가 있다 하더라도 프로그램이 독립적으로 실행될 수 있도록 하였다.
본 연구의 화산재 확산 예측 알고리즘을 다음과 같이 3단계(입자 확산 계산→ 화산재 분출량 계산→ 입자 농도 계산)로 구성되어 있다.
주어진 격자 공간 안에 분포하는 입자들의 평균적인 분포를 계산해서 이를 농도 계산의 기초로 삼는다. 이 때 입자들의 분포는 가우스 분포를 따른다고 가정한다.

이론/모형

그리고, 화산 분화 전체 부피는 다음과 같이 Hurst 경험식(1994)을 통해서 계산된다.
화산재의 확산 모델은 오로지 바람장에 따른 역학적인 영향만 고려한다. 입자의 확산 예측은 Yamada의 RAPTAD(random particle transport and diffusion) 알고리즘(Yamada, 1988)을 적용한다. RAPTAD 모델은 바람 장을 따라 움직이는 입자의 위치를 계산하는 방법으로 대기의 요동 즉 난류에 의한 입자의 복잡한 움직임도 고려할 수 있다.
화산재의 연직 농도 분포는 다음과 같이 경험식(Hurst and Suzuku, 1994)을 사용하여 계산된다.

성능/효과

이 시스템의 차별화된 주요 특징은 1) 기상조건(임의의 기상조건, 기상청 수치모델결과, 기후자료 등)과 화산폭발지수(VEI)를 시뮬레이션 도중에 실시간으로 변경하여 시뮬레이션에 반영 가능하며, 2) ArcGIS(미국 ESRI사에서 개발한 공간지리정보분석 소프트웨어)와 같은 라이브러리를 사용하지 않고 ㈜그린시뮬레이션에서 2011년에 독자적으로 개발하였으며, 3) 수치 시뮬레이션과 표출을 대화형식으로 동시에 수행하며, 4) 5일 정도의 시뮬레이션 결과를 노트북 사양에서도 5분 이내에 볼 수 있다. 5) 기상모델과 대기확산 모델에 대한 사전 지식이 없는 사용자도 편리하게 사용 가능하다.

후속연구

본 연구에서는 화산재 확산 알고리즘 및 3D 표출 엔진을 탑재한 실시간 대화형 백두산 화산재 확산 예측 시스템을 개발하였다. 이 시스템은 화산재해에 대한 즉각적이고 과학적인 대응능력을 향상시키는데 기여할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	백두산 화산이 분화한다면 어떤 것에 따라 주변국의 피해규모가 달라지는가?	백두산 화산이 분화한다면 분출 형태일지 아니면 폭발 형태일지에 따라 주변국들의 피해 규모가 달라질 수 있다. 일반적으로 화산 분화는 분출과 폭발 2가지로 분류되며, 전자는 현무암질 암석층 지역에서 그리고 후자는 백두산과 같은 유문암질 암석층 지역에서 주로 발생한다.
	화산폭발지수에 따른 피해규모는 어떠한가?	백두산 화산이 분화한다면 그 피해 규모는 화산분화규모를 나타내는 화산폭발지수(VEI; Volcano Explosivity Index)에 따라 다르다. 만약 소규모 분화(VEI < 2)일 경우의 피해는 국지적으로 한정될 가능성이 크다. 그러나 분화규모가 클 경우(VEI > 2) 그 피해는 한반도를 비롯한 중국과 일본을 포함한 동북아시아 지역에 영향을 미칠 가능성이 크다. 특히, 백두산 화산 폭발시 분출될 화산성 쇄설물은 항공기 운항 및 물류대란, 호흡기 질환, 농작물 냉해, 정밀기기 산업 피해 등 인명피해와 함께 막대한 경제적 피해가 예상된다.
	화산 분화는 어떻게 분류하는가?	백두산 화산이 분화한다면 분출 형태일지 아니면 폭발 형태일지에 따라 주변국들의 피해 규모가 달라질 수 있다. 일반적으로 화산 분화는 분출과 폭발 2가지로 분류되며, 전자는 현무암질 암석층 지역에서 그리고 후자는 백두산과 같은 유문암질 암석층 지역에서 주로 발생한다. 백두산 화산 분화가 위험한 이유도 폭발성 분화일 가능성이 높기 때문이며, 따라서 화산재를 뿜어내는 격렬한 화산활동이 예상된다.

참고문헌 (4)

Green Simulation Co., Ltd., 2011, Interactive Simulator. Technical Report, Vo. 1, 120pp.
Hurst, A. W., 1994, ASHFALL-a computer program for estimation volcanic as fallout, Institute of Geological & Nuclear Sciences, Report and Users Guide.
Newhall, Christopher G., Self, Stephen, 1982, The Volcanic Explosivity Index (VEI): An Estimate of Explosive Magnitude for Historical Volcanism.. Journal of Geophysical Research, 87, 1231-1238.

상세보기
Yamada and Bunker, 1998, Development of a nested grid, second moment turbulence closure model and application to the 1982 ASCOT Brucsh Creek data simulation, JAM.

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