Soon-Hwan Lee1, Eun-Suk Jang2,*, and Hyun-Mi Lee3
1Institute of Environment Studies, Pusan National University, Busan 609-735, Korea
2Faculty of Engineering, Hanzhong University, Gangwon 240-713, Korea
3Department of Atmospheric Environment, Pusan National University, Busan 609-735, Korea
Abstract: In order to clarify the characteristics of dispersion of volcanic tephra emitted from the Mt. Baegdu with various eruption environment, numerical analysis were performed using numerical models, Weather Research and Forecast (WRF) and FLEXPART. Synoptic conditions at 12 October 2010 was adopted because the volcanic ash of Mt. Baegdu can reach the Korean peninsula and its dispersion pattern was compared with different Volcanic Explosivity Index (VEI) and particle size. Predominant size of falling out ash flowing in the peninsular is smaller than 0.5 mm and the ash large than the size is difficult to get in the peninsular due to the its weak ability of truculent diffusion. the difference of ash distribution with various VEI scenarios is not so much but number density of ash in the air is dramatically changed. Volcanic ash tends to be deposited easily in eastern coastal area such as Gangneung and Busan, because of the inflow of ash from East Sea and barrier effect of the Taeback mountains along the east coast of the Korean Peninsula. Accumulated amount of ash deposition can be increased in short period in several urban areas.
Keywords: Mt. Baegdu, ash dispersion, volcanic explosivity index, numerical experiments, WRF/FLEXPART
요 약: 다양한 지질학적 분화 강도에 따른 백두산 화산분출물의 확산 특성과 이들 분출물이 한반도에 미치는 영향을 분석하기 위하여 대기역학모형 WRF (Weather Research and Forecasting)와 확산모형 FLEXPART를 이용하여 수치실험 을 실시하였다. 연구 대상일은 화산재 유입이 예상되는 2010년 10월 21일의 종관장이며, 방출 후 48시간 동안 화산재 의 이동을 분석하였다. 백두산 분화 후 한반도에 유입되는 강하화산재의 크기는 0.05 mm 이하가 대부분을 차지하며, 큰 입자는 확산에 의한 이동이 작기 때문에 유입가능성이 크지 않았다. 분화강도에 따른 화산재의 이동 특성을 보면, 분화강도 차이에 따른 입자의 분포도의 차이는 크지 않으나, 수밀도의 차이는 크게 나타났다. 한반도 내 도시별 화산재 의 침적량 분석에서 화산재가 기류를 타고 동해에서 유입되고 태백산맥의 차폐효과에 의하여 한반도 동쪽에 위치한 강 릉, 부산의 침적량이 초기에 증가하는 경향을 나타내며, 지역별 침적량은 일시에 급격하게 증가할 수 있다.
주요어: 백두산, 화산재 확산, 화산 폭발지수, 수치실험, WRF/FLEXPART
서 론
2010년 4월에 분출한 아이슬란드의 에이야프얄라 요쿨(Eyjafjallajökull) 화산은 아이슬란드뿐 아니라 주
변 유럽 전역에 항공운항 중단과 유럽 관광산업의 피해를 주었으며, 화산재에 의한 정밀기계 산업의 오 차율 증가 등 막대한 경제적 손실을 야기하였다. 특 히 화산분출물의 제트엔진 내 유입은 비행기운항 안 정성에 직접적으로 영향을 미치기 때문에 대기 중 화산재의 확산 유입에 따른 위험성은 매우 크다고 볼 수 있다. 이러한 화산분화는 국가 경제 활동 뿐
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아니라 먼지폭풍이나 황사 등과 비교할 수 없을 정 도로 급격한 대기질 악화와 피해로 인하여 일상적인 사회활동이 불가능한 경우가 대부분이다.
한반도 북부에 위치한 백두산은 그동안 화산활동이 정지된 화산으로 알려져 있었으나, 다양한 분화의 전 조들이 나타남에 따라 백두산 분화시점에 따른 방재 매뉴얼 작성의 필요성이 증대되고 있다. 다양한 관측 자료를 바탕으로 백두산 하부 맨틀 구조의 변화가 감지되고, 지진활동의 급증, 화산체 내 암석의 붕괴, 화산가스에 의한 수목의 고사 등 현상학적으로 다양 한 분화의 전조가 관측되고 있다(윤성효와 이정현, 2010; 2012).
화산 분화에 대비한 방재적인 접근은 화산재의 장 거리 수송에 따른 대기질 악화와 기계 및 항공, 관광 등 산업 피해 예방적인 프로그램이 주를 이룬다. 따 라서 정확한 화산재 확산 시나리오의 확보가 매우 중요하다. 실질적으로 화산재는 입자 분출물이기 때 문에 대기의 움직임에 의하여 결정된다. 화산재의 확 산 분석은 화산 분화 당시의 기상장을 바탕으로 한 수치적인 기류해석과 위성영상을 이용한 원격 탐사자 료를 바탕으로 이루어진다(이순환 외, 2002; 이화운 외, 2010; 이순환과 윤성효, 2011; Flentje et al., 2010; Corradini et al., 2011; Wiegnera et al., 2011).
백두산 분화가 한반도에 미치는 영향에 관한 다양 한 시나리오 연구가 이루어졌다. 김남신(2011)은 화 산폭발지수 7을 가정하고 북서계절풍을 대상으로 백 두산 화구 주변의 용암과 화산재의 분포를 분석하였 다. 그리고 기상청에서는 화산폭발지수 2를 가정하고 남한지역에 황사주의보와 경보발령수준의 대기질 악 화가 예상된다고 제시하였다. 또한 박병철(2011)은 겨울철을 대상으로 한 시뮬레이션을 통하여 화산재 분출 18시간 후에 일본 열도에 도달할 것으로 예상 하고 한반도에 미치는 영향이 극히 미미할 것이라고 예상하였다.
그러나 이러한 연구는 특정 분화 환경을 대상으로 하고 있으며, 다양한 기상환경에 대한 고려 없이 평 균류에 대한 화산재 확산을 고려하였기 때문에 백두 산 화산 분화가 한반도에 미치는 영향을 정량적으로 제시하지 못한 한계를 가진다.
특히 이순환과 윤성효(2011)의 연구에서 화산재의 확산은 대기의 흐름에 밀접하게 관계하며, 평균 기류 를 적용한 경우와 실시간 기류 변화를 적용한 경우 화산재의 분포가 달리 나타날 수 있음을 제시하였다.
따라서 백두산에서 분출한 화산재가 한반도에 직접적 으로 영향을 미치는 실시간 종관장자료를 대상으로 다양한 분화 환경을 가정하여 방재 시나리오를 분석 할 필요가 있다.
본 연구에서는 백두산 분화에 관한 다양한 지질학 적 정보를 바탕으로 화산 폭발지수별 화산재의 확산 을 예상하고 이에 따른 한반도의 대기질에 미치는 영향을 정량적으로 분석한다. 또한 한반도에 직접적 으로 피해를 주는 종관 기상장을 가정하여 각각의 이동 경로를 파악하고, 화산재의 확산 및 이동 특성 을 정량적으로 제시한다.
백두산의 지형과 분화 가능성
백두산은 고도 2,750 m의 화산으로 신생대 제 3기 마이오세-플라이오세에 현무암 용암대지와 순상화산 체를, 제4기 플라이스토세에 백두산 성층화산체를 형 성하였고 홀로세에 들어 폭발적인 대분화(소원주와 윤성효, 1999)와 함께 천지 칼데라를 형성하였고 역 사시대에도 소·대규모의 분화를 계속하였다(윤성효 외, 1993; 윤성효와 최종섭, 1996; 윤성효와 이정현, 2012). 홀로세의 폭발적인 대분화 후 정상부에는 칼 데라호인 천지가 형성되었으며, 천지 주변을 따라 병 풍처럼 칼데라벽이 외륜산으로 생성되었다. Fig. 1은 미항공우주국에서 촬영한 백두산의 3차원 위성영상이 다. 동서 단면의 경우 서쪽이 매우 완만한 경사를 이 루고 있으나 동쪽으로는 급경사를 이룬다. 남북 단면 의 경우 북쪽으로 경사가 완만하고 남쪽으로 경사가 급하다. 따라서 20억 톤에 달하는 천지의 물이 화산 분화와 함께 방출되면서 북한과 중국에 직접적인 피 해를 일으킬 개연성이 충분하다.
백두산 주변지역의 기후학적인 특성은 높은 지대에 위치한 용암대지에 의하여 연중 풍속이 강하게 나타 나고 여름철에는 남풍 계열이 우세하고 겨울철에는 시베리아 고기압의 영향을 직접적으로 받기 때문에 북서풍이 우세하게 나타난다. 이러한 겨울철의 강한 북서풍은 홀로세 중에 발생한 플리니식 분화에 의하 여 발생한 화산재를 일본 열도까지 이동시킨 요인으 로 판단한다(Furuta et al., 1986).
현재 백두산 분화가능성은 한국과 중국의 지질학자 를 중심으로 강하게 제기되고 있다. 윤성효와 이정현 (2010)은 위성자료를 바탕으로 2002년 8월-2003년 8 월 사이의 천지 북쪽지형의 이동속도가 증가하였으며,
외륜산의 붕괴, 지진활동의 급격한 증가 등 지질학적 인 자료를 제시하였으며, Lei and Zhao (2005)는 지 진파 분석을 바탕으로 백두산 지하에 마그마방이 존 재할 수 있음을 제시하였고, Ming et al.(2006)는 10, 20, 28, 32 km 지하에 4개의 마그마방이 존재하고 있 음을 확인하고 이들 마그마방이 점진적으로 상승할 가능성이 있음을 제시하였다. 이러한 백두산 부근의 지질학적인 지표환경 변화와 지진파 분석을 통한 마 그마방의 확인 등은 백두산의 화산 분화 가능성이 크게 증가하고 있음을 나타낸다.
수치모형 및 실험 설계
수치모형
화산분출물의 이동예측을 위한 기류는 미국 대기연 구소에서 개발한 Weather Research and Forecasting (WRF) ver. 3.3을 이용하여 산출하였다. WRF는 한 국 기상청의 현업예보 모형에 적용될 만큼 계산의
안정성과 산출자료의 정확도가 입증된 모형으로 압축 성 비정역학 방정식을 바탕으로 구성된다. 연구에 사 용된 물리과정은 다음과 같다(Table 1). 미물리스킴과 장·단파 복사스킴은 각각 WRF Single Moment 6 class (WSM-6)과 Rapid Radiative Transfer Model (RRTM), Dudhia Scheme이다. 그리고 경계층내의 난 류 및 기류에 대한 해석은 YSU (YeonSei Univ.) scheme을 사용하였고 지표면 열수지에 대한 해석은 Noah Land Surface Scheme을 사용하였다.
화산재 확산을 나타내는 입자 모형은 노르웨이 대 기연구소에서 개발한 라그랑지안 입자 확산을 바탕으 로 제작된 FLEXPART이다(Stohl et al., 2005).
FLEXPART에서 입자 수송과 난류 확산은 바람 및 다른 기상 데이터를 입자 위치에 내삽하고, 랑주뱅 방정식(식 1)을 풀이하여 계산된다. 바람 성분 i에 대 한 난류 속도 vt는 랑주뱅 방정식에 기초로 하여 매 개변수화되며(Thomson, 1987), 이때 확률 과정 중에 서 어떤 시스템의 현재 상태만 주어지면 과거의 역
Fig. 1. Location of the Mt. Baegdu and its three dimensional satellite image provided by National Aeronautics and Space Adminstration.
Table 1. WRF model description and selected physical options
Domain1 Domain 2 Domain 3
Horizontal resolution 30 km 15 km 5 km
Horizontal grid number 125×125 191×191 442×442
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 2010. 10. 21. 0000 LST - 2010. 10. 23. 2400 LST
사와는 무관하게 미래 상태가 결정되는 마르코프 과 정(Markov process)을 가정한다.
dυti=ai(x, υt, t)dt + bij(x, υt, t)dWj (1) 여기서 이류항인 a와 확산항인 b는 위치, 난류 속 도 그리고 시간의 함수이고, dWj는 dt동안의 브라운 운동의 증가분을 의미한다(Legg and Raupach, 1982).
또한 이 모형은 침적과 중력강하 모듈을 가지고 있 기 때문에 질량을 가진 화산재의 이동과 침적량 등 을 산출할 수 있다. 이러한 입자상 물질의 이동특성 을 화산재를 대상으로 한 다양한 연구를 통하여 모 형의 안정성이 확인되었다(Prata et al., 2007).
화산 폭발지수(Volcanic Explosivity Index) 백두산 화산재의 확산 분석 시나리오상 중요한 요 인 중 하나는 화산재 입자의 방출환경이다. 일반적으 로 폭발적인 화산분화의 강도를 나타내는 화산 폭발 지수(VEI; Volcanic Expolosivity Index)는 9 단계로 구분한다(Newhall and Self, 1982). VEI는 미국지질 조사소(USGS)의 Newhall과 하와이대학의 Self가 제 시한 화산 분화 규모를 나타내는 지수로, 화산 분출 물의 총량과 분연주의 높이 등으로 결정된다. Table 2는 9단계의 분화 강도와 각 분화 강도의 분출 사례 를 나타낸 것이다. 먼저 VEI 0 단계와 1 단계는 매 우 조용한 화산분출을 의미하며, 일반적으로 피해가 매우 미약하고 분출되는 총 화산분출물은 0.001 km3 이하로 매우 적은 양이다. 이 경우 매우 제한된 지역 에서만 영향을 받는다. 그러나 VEI 2가 되면 분화 과정상 폭발적 분화로 기록되고 분연주의 높이가 최 대 5 km까지 나타난다. 이때 분출물의 총량은 0.01 km3이다. 그리고 이후 단계가 한 단계 증가할 때마다 분출물의 양이 지수적으로 증가한다. 최고 단계인 8 단계의 경우, 분연주의 높이가 50 km까지도 상승하
며, 분출물의 총량은 1,000 km3까지 된다. 그러나 이 러한 VEI 8의 화산 분화 주기는 약 10,000년 정도로 빈도가 극히 드물고 지금까지 지구상에서 47회 발생 된 것으로 보고되고 있다. 최근 VEI 8은 26,500년 전에 발생한 뉴질랜드 타우포화산의 오루아누이 (Oruanui) 분화이고 최근 1,000년 동안 발생한 기록 이 없다(Mason et al., 2004).
수치실험 설계
다양한 분출환경에 따른 화산재 확산예측에 적용된 수치모형의 영역은 총 3개의 둥지영역으로 구분된다.
WRF 계산 영역의 크기는 계산 영역별 경계지역의 계산안정성을 위하여 설정되는데, 첫번째 영역은 동 북아시아 전체를 대상으로 하고, 두번째 영역은 한국, 중국, 일본을 중심으로 설정하고, 마지막 영역은 백 두산 풍하지역인 동해와 한국과 일본 일부 지역을 포함한다. 격자수는 각각 125×125, 191×191, 442×442 이며, 각 격자별 간격은 각각 30, 15, 5 km로 하였다 (Fig. 2). 또한 본 연구에서는 백두산 분화에 따른 화산 재의 영향을 분석하는 것으로 가장 높은 해상도를 가진 마지막 둥지의 계산 결과를 바탕으로 분석한다. 마지막 둥지의 바람장 결과는 입자확산 모형(FLEXPART) 계 산의 입력 자료로 활용된다. FLEXPART 실험의 격 자 역시 WRF 계산의 마지막 영역과 동일하고 격자 간격 역시 5 km로 동일하게 설정하였다. 이러한 격자 영역 설정은 이전 연구에서 분석의 유용성이 확인되 었다(이순환과 윤성효, 2011).
본 연구에서는 2가지 서로 다른 수치실험을 실시 하였다. 첫 번째는 방출되는 화산재의 크기에 따른 이동 특성을 분석하기 위하여 서로 다른 4가지 크기 의 화산재 입자를 상정하여 이들의 확산특성을 분석 하였다. 연구에 적용된 입자의 크기는 1, 0.2, 0.1, 0.05 mm이다. 두 번째는 다양한 화산 폭발지수(VEI)
Table 2. Description of Volcanic Explosivity Index (VEI) proposed by Newhall and Self (1982)
VEI Eruption volume Plume heigh Frequency Stratosp. injection Examples
0 <0.00001 km
3<0.1 km constant none Kilauea
1 >0.00001 km
30.1-1 km daily none Stromboli
2 >0.001 km
31-5 km weekly none Mount Sinabung (2002)
3 >0.01 km
33-15 km few month possible Soufriere Hills (1995) 4 >0.1 km
310-25 km >1 year definite Eyjafjallajökull (2010) 5 >1 km
320-35 km >10 year significant Mount St. Helens (1980) 6 >10 km
3>30 km >100 year significant Pinatubo (1991)
7 >100 km
3>40 km >1000 year significant Tambora (1815), Baegdusan (10 century)
8 >1000 km
3>50 km >10,000 year significant Yellow Stone (640,000BP)
를 상정하여 분출된 화산재가 한반도에 미치는 영향 을 정량적으로 산출하였다. 이때 한반도 내의 주요 도시들(서울, 부산, 대구, 대전, 광주, 강릉) 상공에 위치하는 입자들의 분포를 분석함으로 각 지역별 분 포특성을 비교하였다.
입자 확산 실험에서 폭발지수는 방출되는 입자의 수와 단위 입자당 가중치를 다르게 적용하여 구분하 였다. VEI 등급당 방출되는 화성쇄설물의 총량은 10 배씩 증가한다. 따라서 VEI 2와 VEI 7은 105배의 차 이를 가진다. 그러나 계산기 환경상 방출할 수 있는 입자 수의 제한이 있기 때문에 VEI 등급당 2배씩 입 자 수를 증가시키고, 각 단위입자는 VEI 등급당 5개 의 입자라고 가정하여 VEI 등급당 화성쇄설물의 양 을 조절하였다. VEI 2에서 방출되는 입자의 총량은 43,200개 이고 VEI 7은 1,382,400개의 입자가 방출 된다.
각 입자는 천지주변에서 방출된다고 가정하고, 방 출고도는 지상에서 대류권상층 10 km까지 동일하게 방출된다고 가정하였다. 실제 분화는 장기간에 걸쳐 불균일하고 간헐적으로 방출되는 특징이 있기 때문에 이를 정확히 산정하는 것은 어렵다. 그리고 백두산 화산재가 한반도에 미치는 영향을 정량적으로 분석하
는 것이 목적이기 때문에 본 연구에서는 각 입자의 방출시간은 2010년 10월 12일 0000 LST부터 48시간 연속 방출이라고 가정하고 한반도에 도달하는 화산재 의 정량 분석을 실시하였다. WRF 실험에서 가장 큰 둥지의 초기조건과 경계조건은 FNL (Final) Operational Model Global Tropospheric Analysis 자료를 사용하였 으며, 그보다 작은 둥지의 경우, 상위둥지의 계산 결 과를 초기 및 경계조건으로 사용하였다.
결 과
대상일의 기상장 산출
백두산 분화 시나리오상 한반도에 미치는 영향을 정량적으로 분석하기 위하여, 백두산 분화 화산재가 한반도로 유입되는 사례에 대한 연구가 요구된다. 한 반도를 중심으로 한 동아시아는 종관 기상학적으로 편서풍 지대에 위치하기 때문에 백두산 분출에 따른 화산재는 동쪽으로 이동하는 경향이 강하다. 이순환 과 윤성효(2011)가 제시한 바와 같이 평균바람장을 이용한 백두산 분화 시나리오는 한반도에 미치는 영 향이 매우 미미하게 나타나고, 평균화하지 않은 바람 장을 이용한 경우 백두산 분화에 의한 화산재는 충
Fig. 2. Geographical map of northeast Asia including the Mt. Baegdu (Baegdu-san) volcano and simulated numerical model
domains. Closed rectangular indicate the target area to analysis the variation of air quality due to the ash dispersion.
분히 한반도에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 본 연구 는 백두산에서 분출한 화산재가 한반도에 미치는 영 향을 정량적으로 파악하는 것이 목적이기 때문에, 종 관 기상학적으로 평균화된 기상상태보다는 국지적으 로 백두산 분출 화산재의 한반도 유입이 가능한 종 관 상태를 대상으로 연구를 수행하였다. 이전 사례 연구를 통하여 한반도 북부 러시아 연안에 고기압이 위치할 때 백두산 화산분출물이 한반도로 유입될 가 능성이 증가하는 경향을 보였다(이순환과 윤성효, 2011).
Fig. 3은 본 연구에서 백두산 분출 화산재의 한반 도 유입이 가능하다고 판단되는 2010년 10월 21일 0000 UTC부터 23일 0000 UTC까지의 지상일기도를 나타낸 것이다. 21일에는 고기압의 중심이 한반도 북 부에 위치하며 중국대륙에는 저기압이 위치하고 시베 리아 고기압이 확장한다. 한반도 북부지역 상공의 고 기압에 의하여 지상의 바람은 북풍 또는 북동풍이 탁월하게 나타난다. 이러한 종관장은 22일에도 유지 되고 있으며, 시베리아 기단은 지속적으로 강화되고 있다. 동시에 일본 열도 상공의 고기압이 강화되면서 동풍계열의 바람이 강화되고 있다. 이러한 종관장은 23일 한반도에 위치하던 고기압이 일본 열도로 물러 나고, 시베리아 고기압이 약화되면서 바뀐다. 또한 시베리아 기단과 일본 열도상공의 고기압사이에 저기 압이 나타나면서 백두산 주변 바람은 남서풍으로 나 타난다. 따라서 화산재가 분화하는 백두산 주변의 바 람은 21일과 22일 양일간 북풍 또는 북동풍으로 나 타나기 때문에 백두산에서 분화한 화산재가 한반도에 직접적으로 이동할 수 있는 가능성이 있다. 또한 한 반도와 동해 상공은 고기압이 지배적으로 작용하기 때문에 분화된 화산재가 강수에 의한 세정되는 효과 가 나타나기 어렵다. 따라서 한반도는 백두산 분출 화산재의 직접적인 영향을 받을 수 있다.
Fig. 4는 각각 WRF 모형에서 산출된 2010년 10월 21과 22일 0시와 12시의 지상 바람장을 나타낸 것이 다. 21일 0시에 백두산 부근에서는 북서풍 계열의 바 람이 불지만 블라디보스톡 부근 해상에서는 강한 북 동풍과 북풍계열의 바람이 불고 있다. 이는 Fig. 3에 서 제시된 바와 같이 한반도 북부 블라디보스톡 부근 에 위치한 지상 고기압에 의하여 한반도와 동해쪽으 로 바람이 불어온다. 이러한 고기압의 위치는 지상일 기도에서 제시된 고기압의 위치와 잘 일치하고 있다.
그리고 21일 12시가 되면, 한반도 동해안 전체 지
역에서 북동풍 또는 동풍 계열의 바람이 강화된다.
고기압이 동해중심으로 이동함에 따라 동해 서부 지 역 해양 상에서 동풍 계열의 바람이 불고 동해 동부 지역 해양에서는 서풍이 강화된다. 그리고 일본 열도 남쪽 태평양 상에 강한 동풍 계열의 바람이 발생하 는데 이것은 동중국해 부근에서 발달한 태풍 메기 (Megi) 때문으로 판단된다. 이러한 동해상의 동풍 계
Fig. 3. Surface synoptic charts at 0000 UTC 21, 22, and 23
October 2010. The data are provided by Korea Meteorologi-
cal Administration.
열의 바람은 22일 12시까지 지속적으로 나타난다.
22일 00시에는 고기압의 중심이 일본 북해도 부근까 지 진출함에 따라 동해상 전체 지역에서 동풍 계열 의 바람이 나타난다. 또한 태풍 메기가 타이완 부근 까지 다가옴에 따라 풍속의 증가가 뚜렷하게 나타나 서 강한 동풍의 바람이 동해 쪽에서 한반도 쪽으로 불어온다. 이러한 풍속 분포로 인하여 동해 상으로 이동한 백두산 화산재가 대량으로 한반도로 유입될 수 있다.
기상장의 통계적 검증
수치실험의 경우 다양한 형태의 불확도가 존재하기 때문에 수치실험 결과 자료를 통계적으로 검정할 필 요가 있다. 본 연구에서는 Root Mean Square Error (RMSE)와 Index of Agreement (IOA)를 바탕으로 WRF 산출 바람장 자료를 검증하였다. RMSE는 통 상 관측치와 예측치 간의 절대적인 오차를 산출하여 유의성을 판별하는 통계지수이고, IOA는 바람장의 시간변화에 대한 일치성을 제시하는 것이다.
기상청에서 관측한 전국 16개 지점의 온도와 풍속
자료를 바탕으로 WRF 계산 바람장의 통계적 유의성 을 검증하였다(Table 3). 온도와 바람은 각각 대기의 열적, 역학적인 에너지 균형의 산물로서 표현되기 때 문에 이들에 대한 통계적 검증을 통하여 수치대기의 재현성을 제시하는 것은 중요하다.
전체적으로 약간의 지역적인 편차가 나타나지만, 평균 온도와 풍속의 IOA가 0.84와 0.69로 0.6 이상 의 유의한 값을 제시하고 있다. 또한 RMSE 역시 대 관령과 광주와 같이 높은 지역도 존재하지만 그 크기 가 크지 않으며, 전체적으로 낮은 값을 보여준다. 따라 서 WRF를 통하여 산출된 바람장 자료는 화산재 확 산 분석 연구에 적용할 수 있는 통계적 유의성을 가 지고 있다.
화산재 크기에 따른 확산 특성
화산분출물은 일반적으로 가스를 포함한 다양한 크 기의 분출물이 혼재한다. 크기가 큰 화성쇄설물 (tephra)은 분화구 주변에 낙하하기 때문에 한반도에 영향을 주는 입자의 크기는 매우 제한적이다. Sarna- Wojcicki et al.(1981)은 1980년에 분화한 세인트 헬
Fig. 4. Calculated wind fields at 10 m above surface at a) 0000 LST 21, b) 0600 LST 21, c) 0000 LST 22, and d) 1200 LST
22, October 2010.
렌즈 화산을 대상으로 분화구에서 확산되는 거리에 따른 입자의 크기를 분석하였다. 분화구에서 100 km 이내에서 1 mm 이상의 입자는 대부분 침적되는 것 으로 나타나며, 분화구에서 300 km 이상 떨어질 경 우, 화산재의 평균크기는 약 0.03 mm 이하 정도이다.
이보다 더 멀어질 경우에도 채집되는 화산재의 평균 크기는 비슷하다고 보고하였다.
따라서 본 연구에서는 한반도에 직접적으로 영향을 주는 입자 크기를 분석하고 크기에 따른 분포를 살 펴보기 위하여 다양한 크기의 화산재를 산정하여 분 포 특성을 분석하였다. 연구에 사용된 화산재의 크기 는 1, 0.2, 0.1, 0.05 mm이다. Fig. 5는 10월 21일 0 시 부터 48시간 연속 방출을 가정한 입자별 화산재 분포를 나타낸 것이다.
먼저 입자의 크기가 상대적으로 큰 1 mm와 0.2 mm의 분포 차이는 크게 나지 않으며, 주풍을 타고 빠르게 이동하는 것을 볼 수 있다. 또한 난류에 의한 확산크기가 크지 않기 때문에 분포상 매우 좁은 지 역에서 나타난다. 따라서 이들 입자가 한반도에 직접 적으로 영향을 미치기 힘들며, 직접 유입된다고 하여 도 매우 좁은 범위에 국한될 것으로 판단된다.
그러나 상대적으로 입자 크기가 0.1 mm와 0.05 mm인 경우, 작은 크기로 인하여 화산재의 확산 폭이 매우 크다. 0.1 mm인 화산재의 경우 동해 쪽으로 흘
러가는 강한 바람을 타고 흘러가는 것을 볼 수 있지 만, 이보다 작은 0.05 mm의 화산재는 상대적으로 약 한 바람을 타고 흘러가는 경향성이 강하다. 가장 작 은 0.05 mm의 화산재는 초기 바람장에 의하여 이동 을 하지만 높은 확산 성분에 의하여 빠르게 한반도 부근으로 이동한다. 여기서 유념하여야 할 것은 입자 가 작아질수록 화산재의 분포범위가 넓어지기 때문에 평균 이동 경로에 대한 대표성이 약화된다. 이러한 분석한계에도 불구하고 궁극적으로 평균 이동 경로상 에서 한반도에 유입되는 입자는 대부분 0.05 mm 이 하의 입자이다.
분화 강도에 따른 한반도 영향 분석
백두산 화산의 분화 규모를 다양하게 설정한 시나 리오를 바탕으로 화산재의 확산 분포를 살펴보았다.
백두산 화산 시나리오상 분화 규모는 화산폭발지수 (VEI) 2에서 7까지 상정하였다. 방출시간에 따라 분 포가 다양하게 변화한다. 그러므로 방출시간에 따른 영향을 동시에 파악하기 위하여 2010년 10월 21일부 터 48시간 방출 시나리오를 설정하였다.
Fig. 6은 VEI 2, 4, 6, 7 단계의 화산재 입자의 24 시간과 48시간 후의 분포를 나타낸 것이다.
VEI 2를 상정한 시나리오에서 백두산 주변에 북풍 이 강하게 나타난 21일 부터 48시간 동안 화산재 방 출을 상정한 경우를 보면, 방출 24시간 후인 22일 0000 LST (Fig. 6a)에 대부분의 화산재는 백두산에서 남쪽 방향의 동해상에 분포한다. 그리고 일부가 한반 도로 유입되기 시작한다. 여기서 분포상 특징이 나타 나는데, 동해의 화산재가 한반도로 접근하는데 대부 분 동해안 연안에 집중된다. 즉 한반도 내륙으로 유 입되는 화산재가 크지 않다. 이는 태백산맥의 지형적 인 영향으로 판단된다.
이순환과 윤성효(2011)의 연구에 따르면, 한반도로 유입되는 입자는 주로 2 km 이하 고도에서 방출된 화산재이다. 따라서 매우 낮은 고도의 기류를 따라 이동한다. 대류권 하층의 화산재는 한반도 남북으로 길게 뻗은 태백산맥을 넘지 못하고 동해안 연안지역 에 집중된다. 그러나 22일 낮에 나타난 하층의 강한 동풍 성향의 바람을 타고 23일 0000 LST에는 한반 도 전역으로 퍼져나간다(Fig. 6b). 이러한 바람은 일 본 열도 남쪽지역에도 광범위하게 분포한다. 따라서 백두산에서 분출된 화산재는 동해안 연안을 따라 집 중적으로 분포할 가능성이 크다.
Table 3. Statistical correlations between estimated and observed temperature and wind speed at 16 sites for two days from 0000 LST 20, October 2010
Site name Temperature Wind Speed
RMSE IOA RMSE IOA
Daegu 2.12 0.79 1.31 0.83
Daegwannryong 2.51 0.78 3.30 0.78
Seoul 1.03 0.95 2.10 0.79
Inje 1.18 0.85 2.14 0.65
Seosan 2.30 0.89 2.75 0.69
Sokcho 2.38 0.79 2.42 0.75
Cheonan 1.25 0.90 2.50 0.69
Busan 2.32 0.91 1.16 0.76
Youngduck 1.89 0.84 2.31 0.71
Kangryung 2.15 0.79 2.06 0.74
Daejeon 2.53 0.82 2.14 0.63
Jeonju 2.11 0.79 2.91 0.61
Uljin 1.26 0.91 3.08 0.64
Taeback 1.55 0.90 2.01 0.69
Donghae 2.11 0.78 2.43 0.67
Gwangju 2.71 0.84 3.19 0.56
MEAN VALUES 1.96 0.84 2.50 0.69
VEI 4의 시나리오는 VEI 2 시나리오와 매우 유사 한 분포를 나타낸다(Fig. 6c, 6d). 그리고 VEI 등급이 증가할수록 화산재의 밀도와 범위가 점점 커진다. 특 징적으로 입자의 분포 범위는 증가하는 경향을 나타 내지만 증가 비율이 크지 않다. 그러나 화산재의 수 밀도는 급격하게 증가하는 경향이 있는데, 이는 방출 되는 입자의 수가 증가하기 때문이다. 즉 방출량의 증가가 분포 면적의 증가로 연결되지는 않는다는 것 을 의미한다. VEI 4를 넘어가면서 한반도 전역의 단 위면적당 화산재 분포 밀도는 비슷하며 급격하게 증 가하는 경향을 가진다. 앞서 설명한 태백산맥에 의한 화산재의 유입차단 효과는 모든 분화 단계에서 나타 난다. 따라서 한반도에 유입되는 입자는 하층에서 방
출되는 화산재가 대부분을 차지한다고 볼 수 있다.
백두산 화산의 폭발적 분화에 따른 한반도의 영향 은 실질적으로 화산재에 의한 대기질 변화로 이어진 다. 이러한 대기질의 변화를 정량적으로 살펴보기 위 하여 백두산에서 방출된 화산재 입자가 한반도 내 주요 도시 상공에 존재하는 수밀도를 산출하였다. 한 반도 내 주요 도시는 서울, 부산, 대구, 광주, 대전 등 광역시급 도시와 동해안에 위치한 강릉 등 6개 지점을 선정하였다(Fig. 2). 이 6개 도시의 시내 중심 10 km×10 km 격자 내에 위치한 화산재 입자의 수밀 도를 분석하였다. 한반도 내 도시 대기질에 미치는 영향을 파악하기 위해서 중요한 요인은 화산 폭발지 수(VEI)에 따라 방출되는 화산재의 총량을 정확히
Fig. 5. Particle distribution for 48 hours after release at the Mt. Baegdu. Particle size are a) 1 mm, b) 0.2 mm, c) 0.1 mm, and
d) 0.05 mm.
추정하는 것이다. 실제 화산 폭발 지수는 분출물의 총량으로 결정되기 때문에 화산재의 총량을 정확히 산정하기 어렵다. 또한 수치실험상 방출할 수 있는 입자의 개수에 한계가 있기 때문에 화산 폭발지수별 화산재 입자를 간접적인 방법으로 산정한다. 본 연구 에서는 수치 실험상 방출되는 입자 수를 VEI 등급당 2배로 하고, 각 단위 입자는 등급당 5개의 입자라고 가정하여 산출한다. 이러한 가중치를 둠으로 전체 입 자의 개수를 산출하였다.
Fig. 7은 VEI 6을 가정한 시나리오에서 각 도시별 1 km 이하에 위치한 입자 수의 시간 변화를 나타낸 것이다. 방출 후 20시간에 강릉지역에서 입자 수가
증가하고 24시간에 최대 109,513개가 나타난다, 이후 급격하게 감소한다. 그리고 대구, 부산 등 동해안에 근접한 도시부터 대기중의 화산재 입자가 증가하는 것을 볼 수 있다. 반면 서울과 광주 등 한반도 중부 와 서부에 위치한 도시의 경우 입자 수의 증가가 그 리 크지 않으며, 늦은 시간대에 증가가 나타난다. 이 러한 경향은 Fig. 6에서 설명한 바와 같이 백두산에 서 분출한 화산재가 동해상으로 흐른 뒤에 고기압성 순환에 의하여 한반도로 유입되기 때문으로 판단된다.
Table 4는 각 도시의 백두산 분화 후 24시간과 48 시간 동안의 지상 누적 침적량을 나타낸 것이다. 전 술한 바와 같이 백두산에서 분화되는 화산재의 총량
Fig. 6. Distribution of particles emitted from the Mt. Baegdu under different VEI at 24 (left panels) and 48 (right panels) hours
after release: a), b) for VEI 2, c), d) for VEI 4, e), f) for VEI 6, and g), h) for VEI 7.
을 정확히 산정하는 것은 불가능하기 때문에 마그마 총 부피를 환산하여 화산재의 침적량을 산정하였다.
그리고 방출량은 모두 화산재의 형태로 분포한다고 가정하고 지표면의 누적 침적량을 산정하였다.
먼저 분화강도에 따른 침적량의 차이를 보면 전체 적으로 분화강도의 크기에 비례한다. 그러나 이러한 비례정도는 화산 폭발지수의 크기 변화율과 직접적으 로 비례하지는 않는다. 먼저 VEI 2인 시나리오상에서 강릉지역의 24시간 동안 화산재 침적량은 16.6 µg/m2 으로 나타나지만, 나머지 지역에서는 매우 적은 침적 량을 나타낸다. 분출 후 48시간이 지나서도 각 도시의 침적량은 거의 변화가 없다. 화산분출물이 많지 않은 경우, 태백산맥의 차폐효과에 의하여 피해지역이 동해
안 지역에 국한되는 경향을 보인다. 그러나 VEI 3인 경우 48시간 누적 침적량이 강릉, 부산, 대구지역에서 급격하게 증가한다. 가장 높은 분화강도인 VEI 7의 경우 대전의 침적량이 1.31×104 g/m2로 가장 적고, 강 릉이 1.80×105 g/m2로 가장 크게 나타난다. 따라서 최 대지역과 최소지역의 차이는 그리 크지 않다. 따라서 분화강도에 따라서 지역적인 침적량의 차이가 다르게 나타나는 경향이 있다. 즉 분화강도가 작을 경우 지역 적인 침적량의 차이는 크게 나타나지만, 분화강도가 큰 경우 침적량의 지역적인 차이는 크지 않다.
그리고 각 분화 단계마다 분출량은 10배씩 증가함 에도 불구하고 바람의 이동 경로에 따라 시간에 따 른 침적량의 변화는 훨씬 크게 나타날 수 있다. 따라
Fig. 6. (Continued)
서 분화강도에 따른 침적량의 증가는 단순한 분화강 도의 등급단계 증가량보다 크게 나타날 수 있으며, 지역적인 변화정도는 풍향 변동과 지형적인 특성에 관계한다.
결 론
북한과 중국 접경지역에 위치한 백두산은 다양한 화산 분화의 전조현상이 나타나고 있으며, 주변 각국 에서는 백두산의 분화에 대한 다양한 피해를 최소화 하기 위하여 노력한다. 이러한 방재 시나리오작성에
는 백두산 분화 화산재의 정확한 이동과 침적을 정 량적으로 산출하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 수 치대기 역학 모형과 입자 확산 모형을 결합하여 다 양한 백두산 분화 조건에서 화산재의 이동과 침적량 분포 특성을 살펴보았다.
연구에 사용된 모형은 대기 역학 모형 WRF와 입 자 확산 모형 FLEXPART이다. 화산재 확산 연구기 간은 백두산 화산재의 한반도 유입이 예상되는 종관 장이 나타난 2010년 10월 21일부터 23일 0000 LST 까지 48시간으로 설정하였다. 백두산 분화 환경은 2 단계부터 7단계까지의 화산 폭발지수(VEI)별 백두산
Fig. 7. Temporal variation of accumulated deposition of fallout volcanic ash at six cities. Release time of volcanic ash was set on 0000 LST 21, October 2010.
Table 4. Surface deposition amount of volcanic ash at six cities in the Korean peninsula for different eruption scenarios. Unit of the values is g/m
2Seoul Gangneung Daejeon Gwangju Daegu Busan
VEI2 24 h 1.63E-12 1.66E-05 0.00E+00 0.00E+00 0.00E+00 4.74E-26
48 h 1.63E-12 1.66E-05 0.00E+00 0.00E+00 1.61E-19 4.74E-26
VEI3 24 h 6.20E-05 5.60E-05 4.98E-12 0.00E+00 1.80E-12 1.76E-12
48 h 6.95E-05 4.85E+02 4.58E-05 1.96E-05 6.45E+01 1.12E+02
VEI4 24 h 1.59E-04 6.35E+02 2.12E-13 0.00E+00 3.65E-11 1.11E-12
48 h 4.69E+02 2.94E+03 5.55E+02 1.43E-04 8.30E+02 9.75E+01
VEI5 24 h 7.25E+02 3.70E+03 7.40E-05 0.00E+00 5.70E+02 1.80E-04
48 h 1.94E+03 1.27E+04 4.46E+02 3.52E-04 4.99E+03 2.15E+02
VEI6 24 h 8.85E+02 1.78E+04 2.98E-10 0.00E+00 1.84E-03 3.32E-04
48 h 1.01E+04 6.60E+04 3.97E+03 1.40E-03 6.55E+03 1.57E+04
VEI7 24 h 2.69E+03 2.10E+04 1.56E-03 3.13E-01 3.71E+03 5.80E+03
48 h 3.92E+04 1.80E+05 1.31E+04 1.69E+04 5.00E+04 5.85E+04
이동하고, 입자가 작은 경우 난류확산에 의하여 흐름 의 법선 방향으로 확산되는 경향이 크다. 그리고 연 구 대상 사례 일에 한반도로 유입되는 입자의 크기 는 대부분 0.05 mm 이하이며, 이보다 큰 경우 한반 도에 유입되지 않는다.
3) 분화 강도에 따른 화산재 확산 실험에서 분화 강도가 증가함에 따른 화산재의 확산 면적차이는 크 지 않으나 수밀도의 차이는 크게 나타나는 경향성이 있다. 동해로부터 유입되는 화산재는 태백산맥의 차 폐효과에 의하여 동해안선을 따라 집중된다.
4) 한반도 내 도시별 화산재의 침적량 분석에서 화 산재가 동해안 쪽에서 유입됨에 따라 강릉, 대구, 부 산의 침적량이 초기에 대체로 높게 나타나며, 서울, 대전, 광주의 경우 일정시간 경과 후 증가하는 경향 을 보인다.
5) 한반도 내 도시의 침적량 분석에서 분화강도가 작을 경우 지역적인 침적량의 차이는 크게 나타나지 만, 분화강도가 큰 경우 침적량의 지역적인 차이는 크지 않다. 또한 지역적인 침적량의 시간변화는 바람 특성과 지형에 따라서 급격하게 증가할 개연성이 충 분하다.
백두산 분화 시의 기상장과 화산 지질학적인 환경 을 예측하는 것이 불가능한 상황에서 화산재에 의한 한반도상의 피해를 정확히 예측하는 것은 어렵다. 본 연구는 각 분화 강도별 분출량과 이들의 확산량 등 에서 다양한 가정을 바탕으로 화산재의 침적량을 산 정하였다. 특히 백두산에서 분화한 화산재가 대기 중 으로 방출되고 이들이 모두 바람장을 타고 이동한다 고 가정하였기 때문에 이러한 다양한 가정들이 정량 적인 과대평가 요인으로 작용할 수 있다. 또한 백두 산 화산재의 직접적인 피해가 예상되는 특정 기상장 을 바탕으로 작성된 것이기 때문에 본 논문에서 제 시된 정량적인 수치를 일반화시키기는 어려울 수 있
윤성효교수님께 감사드린다. 본 연구는 지진기상 개 발사업(CATER 2012-5080)의 지원으로 이루어졌다.
세심한 심사를 하여주신 심사위원님들께도 감사를 드 린다.
