국내외로 태풍, 홍수, 화산, 지진, 해일 등의 자연재난에 의하여 인명, 재산 피해가 지속적으로 발생하고 있으며 특히 최근에 는 황사, 미세먼지와 같은 입자상 오염물질의 확산이 가속되고 있어 입자상 물질 확산의 예측 및 대응 기술 대한 요구가 높아지고 있는 실정이다. 이와 같은 입자상 물질 관련 재난에 대응하기 위하여 수치 모델을 사용하여 입자상 물질의 확산 경로 및 농도를 예측하는 연구들을 진행하고 있으며, 본 연구에서는 선행연구로 라그랑지안 모델 중 하나인 PUFF-UAF 모델을 개선하여 개발된 PUFFGaussian 모델을 이용하여 연구를 진행하였다. PUFF-Gaussian 모형을 이용하여 온타케 화산의 분화 결과와 검증을 수행하여 유사한 결과가 도출되는 것을 확인하고 백두산 분화에 대한 화산재 확산 예측을 수행하였다. 또한 국내 17개 시·도에 대하여 기존 PUFF-UAF 모델의 결과를 이용하여 계산한 화산재 발생 확률과 PUFF-Gaussian을 이용하여 계산한 발생 확률에 대한 비교를 수행하고 PUFFGaussian 모델을 이용한 결과가 발생 확률이 더 낮은 것을 확인하였다.

지속적으로 관찰되어 온 백두산 화산폭발 전조 현상들이 사회적 이슈가 되고 있으며 주변국인 일본의 화산활동 또한 활발한 추세이다. 국내와 500km 이상 떨어진 위 화산들은 국내에 직접적인 피해를 주기 어렵지만 화산 분화와 함께 분출되는 화산재의 경우 국내에 직간접적인 피해를 미칠 수 있다. 화산재 확산대응의 일환으로 수치해석 모델이 국내외로 사용되고 있으며 각 수치해석 모델 은 사용된 수치해석 방법에 따라 한계가 있다. 본 논문에서는 라그랑지안 방법을 기반으로 한 PUFF-UAF 모델을 분석하였으며, 초기 입자의 수에 대한 의존성의 문제점과 많은 입자개수를 사용함에도 불구하고 나타나는 화산재 농도 예측의 부정확성에 대한 문제점을 제기하였다. 이에 본 논문 연구를 통하여 라그랑지안 기법의 전산효용성을 이용하고 나타난 문제점을 해결하기 위하여 PUFF-UAF 모 델의 결과에 가우시안 확산 모델을 적용하여 결과를 보완하는 PUFF-Gaussian 모델을 개발하였다. 실제 화산분화로 부터 관측된 결과 와 본 연구로 예측된 결과를 비교한 결과 본 연구에서 제안한 방법의 효용성을 보였다.