2011년 기리시마 화산 분화에 따른 화산재 이동 및 침적에 관한 수치모의실험
이순환1,*·장은숙2·윤성효1
1부산대학교 지구과학교육과, 609-735, 부산광역시 금정구 부산대학로 63번길 2
2한중대학교 공학부, 240-713, 강원도 동해시 지양길 200
Numerical Simulation of Volcanic Ash Dispersion and Deposition during 2011 Eruption of Mt. Kirishima
Soon-Hwan Lee1,*, Eun-Suk Jang2, and Sung-Hyo Yun1
1Department of Earth Science Education, Pusan National University, Busan 609-735, Korea
2Engineering Division, Hanzhong University, Donghae 240-713, Korea
Abstract: To analyze the characteristics of deposition and dispersion of volcanic ash emitted from Mt. Kirishima on January 26, 2011, several numerical simulations were carried out by using the numerical models including Weather and Research Forecast (WRF) and FLEXPART. The dispersion of ash located under 1 km high tends to be concentrated along the prevailing wind direction on January 26 2011. On the other hand, volcanic ash released on the following day spreads to Kirishima bay due to the intensified high pressure air mass in southern Kyushu. When Siberian air mass was intensified January 26, 2011, the deposition of volcanic ash is concentrated restrictedly in the narrow area along the wind direction of the downwind side of Mt. Kirishima. The development of high pressure air mass over the eruption area tends to induce the intensified horizontal diffusion of volcanic ash. Since the estimated deposition of volcanic ash is agreed well with observed values, the proposed numerical simulation is reasonable to use the assessment on the behavior of volcanic ash.
Keywords: Kirishima volcano, volcanic ash dispersion, WRF, FLEXPART, deposition
요 약: 화산재의 확산 특성을 분석하고, 침적량의 예측 가능성을 평가하기 위하여, 2011년 1월26일 분화가 시작된 일본 기리시마 화산을 대상으로 WRF와 확산모형 FLEXPART를 이용한 수치모의실험을 실시하였다. 지상 1 km 이하 대기 경계층내의 화산재 확산 특성은 26일 방출된 입자의 경우 주풍을 따라 집중되는 경향을 보이지만, 27일 방출된 화산재 는 큐슈남부에 발달한 고기압의 영향으로 기리시마 만까지 확산된다. 겨울철의 강한 시베리아 기단이 발달한 26일의 경우, 기리시마 화산 풍하측에 위치한 미야기 현 중앙 산악 후면의 좁은 영역에서 집중적으로 침적이 이루어진다. 또한 분화 지역 주변의 국지적인 고기압의 발달은 화산재의 수평 확산을 증대시키는 역할을 한다. 침적량의 분포는 정량적인 측면에서 실제 화산 분출에 따른 영향과 매우 유사한 경향성을 보이고, 제시한 수치모의실험은 화산재의 이동 및 침적 량 예측 및 산정에 적절하다고 판단된다.
주요어: 기리시마 화산, 화산재 확산 특성, WRF, FLEXPART, 침적
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서 론
화산폭발에 의하여 분출되는 화산재는 항공기 엔진 표면의 유리화 과정을 통하여 항공 교통 안전에 중 대한 영향을 미친다. 따라서 대규모 화산 분화에 의 한 화산재 방출은 단기간 내에 급격한 대기질 악화 와 항공교통 마비를 야기시키고 경제적 피해 또한 막대하다(Millet and Casadevall, 2000; Gasteiger et al., 2011; Sulpizio et al., 2012; Lee et al., 2012; Yu et al., 2013). 또한 대류권 및 성층권내에서 화산재의 이동 및 침적과정을 통하여 복사에너지의 변화를 야 기하고 이러한 복사 수지의 변화는 궁극적으로 지구 규모의 기후 변화에 영향을 준다(Mishchenko et al., 2007; Lee and Jang, 2014).
따라서 화산 분화에 따른 화산재의 이동특성을 정 확히 파악하고 예측하는 것이 중요하다. Newman et al. (2012)은 항공기 관측을 통하여 화산재의 이동 경 로 상의 농도와 성분을 분석하였다. Mackie et al.
(2014)는 다양한 대기 관측 자료를 바탕으로 대기 중 화산재 성분 분포를 판별하는 알고리즘을 제시하였 다. Francis et al. (2012)는 Meteosat 탑재된 SEVI (Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager)의 적외선 센서를 이용하여 화산재의 대기 중 분포를 파악하였다. 또한 1차원 대기 복사 알고리즘을 개발 하고 이를 2010년에 분화한 아이슬란드의 에이야트 얄라이외쿨(Eyjafjallajökull) 화산에 적용하였다. 또한 Derimian et al. (2012)은 지상 관측 자료를 이용하여 동일한 화산에서 분출한 화산재가 대기의 물리 광학 적 특성 변화에 미치는 영향을 분석하였다. 그러나 대부분의 화산 분출물에 관한 연구는 앞서 제시한 바와 같이 원격 탐사 자료를 활용하여 화산재의 이 동을 평가하거나 지구과학적인 복사 수지의 관점에 집중되는 경향이 있다.
최근 다양한 분석을 통하여 백두산의 분화 가능성 이 대두되고 있다. Yun and Lee (2012)와 Xu et al.
(2012)는 백두산 하부 맨틀 구조의 변화가 나타나고 있으며, 화산체내의 암석이 지속적으로 붕괴되고, 지 진의 발생 빈도가 급격히 증가하는 지질학적 자료를 바탕으로 다양한 분화 전조가 나타나고 있음을 제시 하였다. 따라서 백두산 분화에 대한 재해 대응 시나 리오 작성이 장기적으로 매우 중요하다. 이러한 재해 대응 시나리오의 중요한 부분이 화산재의 이동과 침 적량을 정확히 예측하고 평가하는 것이다. 이러한 화
산재 이동 예측에는 위성자료와 수치 모델 자료의 결합을 통한 접근이 시도되고 있다(Costa et al., 2009; Folch, 2012). Millington et al. (2012)은 영국 기상청의 입자 확산 모형 NAME (Numerical Atmospheric dispersion Modeling Environment)를 이 용하여 화산재의 이동 경로를 파악하고 광범위한 화 산재의 분포를 계산하였으며, 인공위성 자료와 비교 하여 수치 모형의 유용성을 제시하였다. 또한 Lee and Yun (2011)과 Lee et al. (2012)는 백두산 화산 분화를 가정하여 화산재의 입자 크기에 따른 이동 경로 특성을 파악하였으며, 기상장의 예측 정확도가 화산재의 이동 경로 정확도에 밀접하게 관련된다는 것을 제시하였다.
대부분의 수치적 접근법은 항공교통의 안전 측면에 서 화산재 확산 분석을 주로 취급하고 있기 때문에 수치 해석의 공간 해상도가 지구규모 또는 종관규모 로 매우 낮다. 따라서 국지적인 침적에 대한 평가에 필요한 고해상도 공간규모 화산재 확산 및 침적 분 석에 관한 연구는 그리 많지 않다. 특히 현재 분화 가능성이 대두되고 있는 백두산 지역의 지질학적인 환경을 고려한 분화 시나리오에 대한 연구가 매우 부족한 상태이기 때문에 지질학적인 요인을 고려한 분화 시나리오의 작성 및 화산재 확산 정보 및 조기 경보 기술의 개발이 필요한 시점이나 국내에서는 실 제 폭발한 화산의 분화사례를 선정하여 화산재의 확 산을 논의한 연구는 아직 없다. 따라서 백두산 분화 에 대비한 다양한 지질학적 특성이 고려된 화산재 이동 및 침적 예보 시스템이 필요하며 동시에 시스 템이 가지는 예측 정확도를 파악하기 위하여 실제 화산 분화 사례에 적용하여 예측 정확도를 검증할 필요가 있다.
이러한 배경에서 이 연구는 2011년 1월 26일 본격 적으로 분화가 시작된 일본 기리시마 화산의 신모에 봉(Shinmoedake)을 대상으로 화산재의 이류, 확산 및 침적량의 예측정확도를 고해상도 수치모형을 이용하 여 평가해 보았다. 또한 지상 관측 침적량과 비교하 여 고해상도 수치 모형을 통한 화산재 확산 및 침적 량 예측 가능성을 분석하였다.
지리적 특성 및 분화
일본 규슈 미야자키 현과 가고시마 현 경계에 걸 쳐 있는 기리시마 화산은 두 개의 화산군(구화산, 신 생화산)으로 이루어져 있다. 신생화산의 활동은 약
30만 년 전에 시작되었으며, 초기 단계에 쿠리노다케 (Kurinodake)와 시시코다케(Shishikodake)가 만들어졌 다. 10만년 후, 대다수의 소규모 성층화산, 단성 쇄설 구, 마르, 광범위한 용암류가 형성되었다. 히나모리다 케(Hinamoridake)의 붕괴로 기리시마 화산의 북동쪽 에 퇴적토사태가 생성되었다. 만년 후에는 주로 화산 의 남동쪽에서 분화가 발생했고, 742년 이래로 기록 적인 폭발은 주로 오하시(Ohachi)와 신모에다케 (Shinmoedake)에서 일어났다. 그 중 비교적 큰 분화 는 788년(오하시), 1235년(오하시), 1716-1717년(신모 에다케)으로 기록되었다(International Association of Volcanology and Chemistry of the Earth’s Interior, 2012).
지형적으로 최고봉인 가라쿠니봉(1,700 m)을 중심 으로 북서-남동 약 25 km, 북동-남서 약 18 km의 타 원을 이룬다. 남쪽으로 평야지대가 있으며 산정에서 시작된 아모리(Amori) 강은 남부 평야지를 거쳐 가 고시마 만으로 흘러간다. 반면 동쪽으로는 미야자키 현 미야자키시가 위치하며 미야자기현 남부에 높은 산악이 위치한다. 이러한 특성에 따라 기리시마 화산 동쪽 지역은 북동 남서로 길게 낮은 지형이 형성 된 다(Fig. 1).
화산은 기리시마 산의 신모에다케에서 발생하였다.
신모에다케는 일본 가고시마현 기리시마와 미야자키 현 고바야시에 걸쳐있는 활화산으로 해발고도는 1,421 m이고, 정상부에는 직경 750 m, 깊이 180 m의 원형 칼데라 호가 있다. 신모에다케 산지는 약 2억 5천만 년 전부터 1억 5천만 년 전 사이에 생성되어 현재까 지 활발한 화산활동이 계속되고 있다. 1637년에 분화
했던 기록이 남아있으며, 1991년과 1992년에도 분화 가 있었다. 2008년 화산활동이 다시 시작될 징후가 관측되었으며, 마침내 2011년 1월 22일에 화산활동 이 활발해지기 시작했다. 2011년 3월까지 항공 관측 과 위성 영상을 통해 정기적인 화산재 플룸이 관측 되었다(Ueda et al., 2013).
본 연구의 사례일은 2011년 1월 26일-27일로 선정 하였다. 사례일의 분화 시작 시각은 1월 26일 7시 31분이며, 14시 49분에 마그마 분출이 관측되었다.
이후 분화 강도가 증가하여, 18시에는 경계수준을 2 단계에서 3단계로 강화하였다. 1월 27일 15시 41분 에 발생한 중규모 폭발로 인해 플룸이 화구로부터 2,500 m까지 치솟았다. 도쿄대학의 지진연구소 관측 에 따르면, 화산 폭발 이후에 직경 약 10 m의 용암 돔이 형성되었고, 분화구 남서쪽 방향으로 500-600 m 길이의 화산 쇄설류가 발견되었다.
수치모형의 개요 및 실험설계
기리시마 화산이 분화한 사례일의 기류는 미국 대 기연구소에서 개발한 중규모 기상모델인 Weather Research and Forecasting (WRF) ver. 3.3을 이용하 여 산출하였고, 화산재확산 모델은 FLEXPART모형 을 사용하였다. 미물리스킴과 장·단파 복사스킴은 각 각 WRF Single Moment 6 class (WSM-6)와 Rapid Radiative Transfer Model (RRTM), Dudhia 스킴이 며, 대기 경계층 내의 기류에 대한 해석은 YSU (YeonSei Univ.) 스킴을, 지표면 열수지에 대한 해석 은 Noah Land Surface Scheme을 사용하였다(Lee et al., 2012).
Fig. 1. Location of Mt. Kirishima and its topography with 50 m horizontal scale provided by the Geospatial Information Authority of Japan.
수치실험을 위한 모델영역의 설정은 2011년 1월 26일 폭발적인 분화를 일으킨 일본 기리시마 화산을 중심으로 설정하였다. Fig. 2에서 나타낸 바와 같이 수치모형의 둥지는 총 4개로 설정하였으며, 제 1 둥 지는 한국과 일본을 포함하는 동아시아 전체를 대상 으로 설정하였다. 둥지 격자수는 88×88이며, 격자 간 격은 27 km이다. 제 2 둥지는 한반도 남쪽지방과 일 본 열도 서쪽지방을 중심으로 설정하였으며, 격자수 는 160×160이고, 격자 간격은 9 km이다. 제 3둥지는 208×208의 격자로 구성되며, 일본 큐슈 지방을 중심 으로 한 지역이다. 격자 간격은 3 km이고, 가장 작은 둥지는 화산 분화가 발생한 기리시마 화산 신모에봉 을 중심으로 설정하였으며, 격자수는 142×142이고 격자 간격은 1 km이다. 본 연구에서는 신모에봉을 중
심으로 설정된 가장 작은 둥지를 대상으로 분석하 였다.
화산재의 이류 확산에서 가장 중요한 요인은 화산 을 중심으로 주변 지역의 기류를 재현하는 것이다.
수치모형에서 적용된 바람의 초기 및 경계조건은 이 러한 바람장 재현에 매우 중요하게 작용한다. 본 연 구에서 사용된 기상장 모델인, WRF 모형의 실험에 서 가장 큰 둥지의 초기조건과 경계조건은 FNL (Final) Operational Model Global Tropospheric Analysis 자료를 사용하였으며, 그보다 작은 둥지의 경우, 상위 둥지의 계산 결과를 초기 및 경계조건으 로 사용하였다. 화산재 확산 모의는 라그랑주 입자 확산 모델인 FLEXPART 모델을 사용하였다(Stohl et al., 2005; Lee and Yun, 2011). 화산으로부터 방출된 화산재 입자의 수송 및 확산은 WRF 모형의 네 번째 둥지인 마지막 도메인 결과를 입력 자료로 사용하고, 랑쥬뱅 방정식을 풀이하여 계산하다. 화산재의 방출 고도는 입자의 침적농도를 결정하는 주요 요인인데, 본 연구에서는 일본 기상청에서 직접 관측을 통하여 제시한 최대 방출고도인 2.5 km로 설정하였다. 그리 고 입자는 화산재 단일 입자로 설정하였으며, 총 60 만개의 입자를 방출하였다. 수치모의 기간은 2011년 1월 26일 0000 LST부터 1월 28일 0000 LST이며, 각 입자는 1월 26일 0600 LST부터 연속 방출을 가정하 였다.
결과 및 토의
종관기상장의 분석
기리시마 화산이 폭발적인 분화를 시작한 2011년 1월 26일부터 27일의 지상일기도(Fig. 3)를 살펴보면, Fig. 2. Nested model domains used in numerical experi-
ments and location of Mt. Kirishima.
Table 1. WRF model description and selected physical options
Domain1 Domain 2 Domain 3 Domain 4
Horizontal resolution 27 km 9 km 3 km 1 km
Horizontal grid number 88×88 160×160 208×208 142×142
Vertical layers 40 layers
Physical options
Longwave radiation Rapid Radiative Transfer Model
Shortwave radiation Dudhia Scheme
Planetary boundary layer Yonsei University PBL scheme
Microphysics WRF single moment 6 class
Land surface Noah Land Surface Model
Cumulus Grell 3d ensemble cumulus scheme
Initial data NCEP FNL (Final) Operational Global Analysis data
Time period 2011. 01. 26. 0000 LST-2011. 01. 28. 0000 LST
1월 26일 2100 LST에 강한 시베리아 기단이 발달하 고, 시간이 지남에 따라 동남쪽으로 확장하고 있다.
기리시마 화산 부근에는 시베리아 기단에서 유입되는 차가운 북서풍이 지속적으로 나타나며, 이러한 종관 장은 1월 27일 0900 LST까지 지속되고 있다. 그러나 27일 12 UTC에는 일본 큐슈의 남쪽 지방에 1029 hPa 의 고기압이 나타나며, 이전에 발달하던 시베리아 기 단의 북서풍이 약화되는 경향을 나타낸다. 따라서 신 모에봉에서 화산재 분출이 본격적으로 시작된 1월 26일부터 27일 오전까지는 시베리아 기단의 영향을 직접적으로 받고 있으나, 27일 오후부터는 일본 남쪽 에서 발달하는 이동성 고기압의 영향으로 중규모 기 류가 형성될 가능성이 크다.
바람장 분석
화산재의 이동 및 침적에 대한 정확한 평가는 바 람장의 정확도와 매우 밀접하게 관계한다. Fig. 4는 WRF 모델에서 계산된 기리시마 화산 주변의 지상 바람장을 나타낸 것이다. 그림은 가장 해상도가 높은 제 4둥지 격자 자료를 사용하였다. 화산 분화가 본격 적으로 시작된 2011년 1월 26일 0000 LST에는 강한 시베리아기단에 의한 북서풍이 동아시아 전체에 나타 나기 때문에 연구 대상지역인 큐슈지역에서도 북풍 또는 북서풍이 강하게 나타난다. 특히 강한 대기 안 정에 의하여 기리시마 화산을 중심으로 지형에 의한 영향이 뚜렷하게 나타난다. 또한 이러한 경향성은 0600 LST는 물론 중규모 강제력이 강화되는 낮 시간 동안에도 변하지 않는다. 이것은 해풍을 유발하는 중 규모 강제력보다 시베리아 기단에 의한 종관 강제력 이 강하게 나타나는 것을 의미한다. 그러나 27일이 되면 시베리아 기단의 영향력은 감소하고 일본 큐슈 남쪽 태평양 해안에 고기압이 나타나면서 풍속이 점 진적으로 감소한다. 또한 비록 해풍 성분의 바람장은 나타나지 않으나 낮 시간 동안의 중규모 강제력에 의하여 27일 1800 LST의 풍속 분포에서는 기리시마 화산 풍하측 평야지대의 풍속이 급격히 감소한다. 이 러한 풍하 측의 풍속 감소는 기리시마 화산에서 분 출한 화산재의 이동에 중요한 요인으로 작용할 수 있다.
Fig. 5는 대기 경계층의 상층으로 판정되는 1 km와 2 km 상공의 바람장을 나타낸 것이다. 2 km 고도에 서의 바람분포는 전체적으로 지상의 바람과 달리 지 형에 대한 영향이 전혀 나타나지 않는다. 전체적으로 26일의 경우 평균 풍속 10 m s−1 이상의 강한 북서풍 이 하루 종일 나타난다. 그리고 일부 가고시마현 남 쪽 산악후면을 제외하고 전 지역 풍향은 일정하다.
그러나 지상 바람장과 마찬가지로 27일 1200 LST 부 터 뚜렷한 풍속의 감소가 나타난다. 특히 전체적인 풍향이 북서풍으로 변화하고 있다. 또한 지상 바람과 비교할 때 전형적인 backing 현상으로 차갑고 안정한 시베리아 기단의 이류가 나타난다.
따라서 기리시마 화산 분화시의 기상장을 종합하면, 지상 바람장의 경우 전체적인 대기 안정성에 의하여 지형에 의한 영향이 강하게 나타난다. 이러한 지형의 영향은 26일과 27일에 모두 볼 수 있다. 그러나 시베 리아 기단이 약해지는 27일 오후부터는 이러한 지형 Fig. 3. Surface synoptic charts provided by Korea Meteoro-
logical Administration at 2100 LST of (a) January 26 and (b) January 27, 2011.
의 영향력이 더욱 강화된다. 그리고 상공으로 갈수록 북서풍, 서북풍으로 반전형 바람이 분다. 이는 강하 고 차가운 시베리아기단의 영향이며, 이러한 고도별
풍향 변화는 입자의 고도별 이동 경로를 결정하는데 중요한 요인이 될 수 있다.
Fig. 4. Surface wind fields estimated by WRF simulation from 0000 LST January 26, 2011 with 6 hour interval (a-h).
화산재의 확산 분석
화산에서 분출되는 화산재를 포함한 대기중 입자의 확산은 다양한 요소에 의하여 영향을 받게 된다 (Bonadonna and Houghton, 2005; Costa et al., 2009). 즉 지형 분포, 고도별 바람장, 입자크기 분포, 총 분출량, 분출량의 구성성분 등 다양한 요소에 의 하여 결정된다. 기리시마 화산에서 양일간 방출된 60 만개 입자의 고도별 확산 특성을 살펴보았다.
Fig. 6은 본격적인 분화가 시작된 2011년 1월 26일 6시에 입자를 방출시켜 6시간 간격의 입자 분포를 나타낸 것이다. 지상 1 km 이하의 입자만을 나타내었 다. 먼저 화산재는 방출 3시간 만에 태평양 연안에 도착하게 된다. 1월 26일 12시 입자 분포를 보면, 주 풍향을 따라서 밀집한 형태를 나타난다. 이러한 양상 은 27일 오전까지 지속적으로 이루어진다. 또한 입자 가 이류중에 산악 후면에서 집중되는 경향을 나타낸 다. 즉 기리시마 화산의 풍하측에 위치한 미야기현의 산악 지역에서 화산재가 집중적으로 나타난다. 이는 산악 후면의 수렴에 의하여 생성되는 것으로 판단된 다. 그리고 종관장에 의한 북서풍이 약해지면서 27일 의 분화 입자는 26일 분출입자보다는 넓은 지역에 나타난다. 26일 18시의 입자 분포를 보면 방출된 기
리시마 화산 부근에서 넓게 확산되어 나오고 남쪽으 로 이동하는 경향을 보인다. 특히 큐슈 남부에 고기 압이 형성된 27일 늦은 시간에는 화산입자가 기리시 마 만까지 유입되는 것을 볼 수 있다.
따라서 지상 1 km 이하 입자의 특성은 26일 방출된 입자의 경우 주풍향을 따라 집중되는 경향을 보이지 만, 27일 방출된 입자는 상대적으로 초기에 넓은 지역 을 따라 확산되며, 큐슈남부에 발달한 고기압의 영향 으로 기리시마 만까지 확산되는 것을 볼 수 있다.
Fig. 7은 지상 1 km와 2 km 사이의 입자를 나타낸 것이다. 26일은 지상의 경우와 마찬가지로 주풍 방향 으로 입자가 밀집되어 있으며, 입자수가 지상 1 km 이하에서 보다 많이 나타남을 알 수 있다. 또한 미야 기현 중앙 산악지역 후면에 강하게 분포하는 것을 알 수 있다. 이러한 경향은 지상 1 km 이하의 입자 분포 와 동일하다. 27일의 경우 미야기현 중앙 산악의 영 향으로 후면의 확산이 크게 나타나고 있다. 여기에서 주목할 점은 28일 0000 LST의 분포가 1 km 이하 고 도의 분포(Fig. 6)와 다르다는 점이다. 1 km 이하 고 도의 입자분포는 미야기만 쪽으로 강하게 나타나는데 비하여 1 km 이상 고도의 입자는 주풍 방향인 북서- 남동 방향으로 다수 위치한다. 이는 일본 남부에서 Fig. 5. Estimated wind fields at 1 km (a-b) and 2 km (c-d) at 0000 LST and 1200 LST January 26 and 27, 2011.
나타난 고기압이 강화되고 안정화되면서 지상의 바람 장이 지형의 영향을 강하게 받기 때문으로 판단된다.
화산재 침적량 분석
수치 모의된 화산재의 침적량의 검증은 다양한 형 태로 진행할 수 있으나, 실질적으로 지상에서의 침적 량 분포 관측을 통한 검증이 일반적이다. 일본의 산 업기술종합연구소에서는 2011년 1월 28일에 실제 관 측을 통하여 침적량을 Fig. 8과 같이 등치선을 그려 분석하였다. Fig. 8에서 나타나는 점들은 관측 지점 으로 이들 자료를 바탕으로 등치선을 그린 것이다.
이때 관측된 침적량은 2011년 1월 26일부터 27일 까 지의 누적 침적량을 나타낸다.
이들 침적량을 통하여 역산한 총 화산 분출량은 7×107ton이며, 분출된 테프라는 100 km2 영역에 분포 한다. Fig. 8에 의하면 분출지점으로부터 3 km 떨어 진 지점에서 침적량은 약 100 kg m−2이고, 60 km 떨 어진 지점에서 약 1 kg m−2으로 관측되었다.
Fig. 9는 본 연구의 수치실험에 사용된 확산모델인 FLEXPART에 의하여 산출된 지상 침적량을 6시간 간 격으로 나타낸 것이다. 기리시마 화산 풍하측의 산악 지역에서 우선적으로 침적이 이루어졌고, 시간이 지남 에 따라 지속적인 침적이 발생하였다. 26일의 경우 강 한 시베리아 기단에 의하여 좁은 영역에서 집중적으로 침적하였으며, 특히 기리시마 화산 풍하측 미야기현 중앙 산악 후면에서 침적이 강하게 나타나는 경향이 뚜렷하다. 중앙 산악 전면의 풍상측에는 지형적인 요 인으로 침적이 적게 나타났음을 알 수 있다. 그러나 27일 오후부터는 지상 바람장이 변화하기 때문에 침적 이 기리시마 만 쪽으로 이동한다. 침적량의 전체적인 분포 및 누적 침적량은 Fig. 8의 관측 값과 유사하다.
본 연구에서는 기리시마 화산의 분출물 전체가 아 닌 화산재를 대상으로 분석하였다. 실제 화산 분출 총량은 7×107ton이지만 이들 중에 약 10%만이 화산 재라고 가정하였다. 따라서 90%에 해당하는 양이 수 증기 또는 테프라의 형태를 띠게 되는데 이들은 대 Fig. 6. Distribution of volcanic ash located less than 1 km in height from January 26, 2011 with 12 hour interval (a-d).
Fig. 7. Same as Fig. 6 except particles located between 1km and 2 km in hight.
Fig. 8. Distribution of air-fall tephra ejected by Mt. Kirishima eruption (Furukawa, 2011), 26-27 January, 2011.
부분 화산체에서 20 km 이내에 위치한다고 볼 수 있 다. 따라서 본 연구에서 제시된 침적량 중 20 km 이 내의 값은 실제 측정된 침적량보다 과소 모의 된 것 으로 볼 수 있다. 또한 Fig. 10의 관측치는 몇 개의 관측점의 자료를 바탕으로 그린 등치선이기 때문에 지형에 대한 자세한 영향을 고려하기가 어렵다. 반면 수치모의 과정에 의하여 계산된 침적량 값의 분포는
지형에 의한 영향이 비교적 자세하게 나타날 수 있 기 때문에 Fig. 8과 비교하면 매우 복잡하게 나타난 것으로 사료된다. 따라서 관측 값과 비교해 볼 때 수 치모의의 가정에도 불구하고 전체적인 분포는 매우 유사하게 나타났음을 알 수 있다.
수치모의에서 제시된 침적 분포를 정량적으로 보기 위하여, 기리시마 화산에서 주풍방향의 거리에 따른 Fig. 9. Distribution of surface deposition amount (kg m−2) of volcanic ash particles.
침적량을 나타낸 것이 Fig. 10이다. 앞서 설명한 바 와 같이 20 km 이내 지점은 본 검증 실험의 가정상 과소 모의 된 것으로 판단할 수 있다. 그러나 전체적 인 경향성은 유사하다고 판단한다. 화산체에서 20 km 떨어진 지점에서부터 침적량은 감소하여 40 km 지점 에서 1 kg m−2를 유지하다가 다시 60 km 지점에서 약 10 kg m−2으로 증가한다. 이는 앞서 설명한 바와 같이 지형에 의한 영향으로 산악 후면에서 발생한다. 그러 나 직접 관측은 산악 지역이 아닌 평지를 대상으로 하기 때문에 차이가 난 것으로 보인다. 이후 침적량 은 일정하게 감소하여 일정 수준을 유지한다. 따라서 본 연구는 침적량의 분포와 정량적인 측면에서 매우 유사한 값을 제시하고 있다. 본 연구가 화산체의 분 화 상태를 다양한 가정을 통하여 산출하였기 때문에 다양한 오차를 가질 개연성이 높으나 실제 화산 분 출에 따른 영향과 그들의 지상 침적량에 대한 경향 성은 매우 유사하게 나타난 것으로 판단된다.
결 론
백두산 분화 등 한반도 주변의 급격한 지질 환경 변화에 따른 방재 시나리오 구축과정에서 대기 중 화산재의 이동과 침적을 정확히 예측하는 것은 중요 하다. 본 연구는 실제 분화 사례를 중심으로 화산재 의 이동 및 침적량 예측 정확도를 평가하기 위한 수 치 실험을 실시하였다. 수치실험 대상은 2011년 1월 26일 분화를 시작한 일본 기리시마 화산이다. 예측 연구에 적용한 수치 모형은 3차원 대기 역학 모형인 WRF와 라그랑주 입자 확산 모형인 FLEXPART이며,
기리시마 화산 주변의 침적 및 화산재 이류 특성 분 석을 위해 4개의 둥지 격자로 구성하고 분석은 1 km 공간 해상도를 가진 영역을 중심으로 실시하였다.
1월 26일의 지상 바람장은 강하게 발달하는 시베 리아 기단의 영향으로 강한 북풍계열이 나타나고 풍 속 역시 약 7 m s−1 이상으로 강하게 나타났다. 그러 나 대기경계층 이상 고도인 2 km에서는 평균 풍속이 12 m s−1로 매우 빠르게 나타나고 반전(backing) 현상 에 의하여 차가운 공기의 이류가 나타났다. 반면 1월 27일은 일본 열도 남부 지역 상공에서 고기압이 발 달하면서 기리시마 산을 중심으로 일본 남부 지역의 풍속이 급격히 감소하였다.
이러한 종관 상태는 화산재의 이류 및 침적에도 직접적으로 영향을 미친다. 26일 분출된 화산재는 좁 은 영역에서 주풍 방향인 남동쪽으로 이류하는데 비 하여 27일에 분출된 화산재는 기리시마 화산 부근에 서 넓게 확산되어 나오고 남쪽으로 이동하는 경향이 나타난다. 또한 시베리아 기단이 강하게 나타나는 26 일은 상대적으로 높은 고도를 타고 이동하지만 중규 모 강제력이 크게 작용하는 27일은 낮은 고도로 이 동하려는 경향이 보인다. 직접 관측한 지상 화산재 침적량 분포와 비교를 통하여 시스템을 검정하였는 데, 27일 12시의 침적분포와 수치실험을 통하여 침적 분포가 매우 유사하게 나타난다. 침적량의 전체적인 정량적인 크기 역시 1-5 kg m−2으로 관측치의 값과 유사하다. 따라서 고해상도 국지규모의 화산재 이류 와 침적량 분석 가능성이 충분하다고 판단된다.
그러나 본 시스템의 예측 결과는 화산 분출물의 크기 분포, 분화 체적, 분화 지속시간, 분연주의 높이 등이 관측 자료를 바탕으로 결정되었기 때문에 예측 정확도가 높게 나타난 것이다. 실제 시나리오에 적용 하기 위해서는 백두산 등 분화 예상 지역의 지질학 적인 특성을 바탕으로 다양한 분화 유형을 구분하고, 이를 바탕으로 수치 분석을 통한 확산 및 침적량 자 료를 데이터베이스화하여 적용할 필요가 있다.
감사의 글
본 연구는 소방방재청의 백두산 화산대응기술개발 사업인 ‘화산재해 피해예측 기술 개발’ 과제번호 (NEMA-백두산-2012-1-1과 NEMA-백두산-2012-1-2) 의 지원으로 이루어졌습니다. 그리고 세심한 심사를 하여주신 익명의 심사위원께도 감사를 전합니다.
Fig. 10. Deposition amount of volcanic ash along the downward of main wind direction.
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Manuscript received: June 12, 2014 Revised manuscript received: July 10, 2014 Manuscript accepted: August 7, 2014
