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.

아소 화산은 일본 규슈 중앙부에 위치하며, 세계에서 가장 큰 칼데라 화산중의 하나이다. 나카다케 분화구는 아 소 칼데라의 중앙 화구군에서 유일한 활동적인 화산체이다. 2016년 10월 8일 아소 산에서 36년 만에 폭발적인 분화가 발생하였으며, 분연주가 11 km 상공까지 상승하였고 화산재는 최대 300 km 떨어진 지역에서도 확인되었다. 본 연구에 서는 미국 USGS에서 개발한 Ash3D모델을 이용하여 2016년 10월 8일의 분화에서 발생한 화산재의 확산과 침적에 대 한 수치모의를 실시하였다. 수치모의 결과 분화에 의해 발생한 화산재는 아소 칼데라 화산의 동쪽과 북동쪽으로 확산되 어 우리나라에는 피해를 주지 않는 것으로 나타났으며, 동북동 방향으로 최대 400 km 이상 먼 곳까지 침적되는 것으로 나타났다. 본 연구의 수치모의 결과는 관측 확인된 화산재 침적 결과와 대체로 일치하였다. 빠른 화산재 재해 예보를 위하여 Ash3D를 이용한 수치모의가 유용하게 쓰일 수 있을 것이다.

입자의 확산을 모사하는 Lagrangian 기반의 HYSPLIT과 PUFF 모형을 이용하여 화산재의 확산 해석을 수행하였다. 미국의 스퍼와 리다우트 화산은 각각 1992년과 2009년에 폭발성 분화가 발생하여 화산재가 광범위하게 확산되었다. 이 때 발생한 공기 중에 부유하는 미세입자와 퇴적되는 화산재로 인해 공항이 폐쇄되고 통신 교란이 발생하는 피해가 발생하였다. 또한, 인도네시아의 켈루트 화산은 최근까지 활발한 활동을 하고 있으며 1919년과 2014년의 대분화로 인해 인명피해가 속출하였다. 따라서 본 연구에서는 입자 확산 모형을 이용하여 이와 같이 화산재로 인해 피해가 발생하는 영향범위와 경로를 분석하였다. 수치 계산의 신뢰성을 평가하기 위해서 다중 수치 모형으로 예측된 화산재의 확산 범위와 실측치에 의한 확산 경로를 비교하여 검증하였다. 또한, 화산재가 영향을 미치는 범위를 평가한 결과 HYSPLIT과 PUFF 모형의 확산 분포는 70% 내외로 일치하는 것을 확인하였다.

화산 분화시 분출량과 분연주 높이는 기상 자료와 함께 화산재 확산에 미치는 영향이 큰 것으로 알려져 있다. 이에 대한 영향을 분석하기 위하여 유한 차분 명시적 방법과 오일러리안 기법 기반의 화산재 확산 모형인 FALL3D를 이용하여 수치해석을 실시 할 수 있는 화산재 확산 시뮬레이션 시스템을 개발하였다. FALL3D 시뮬레이션을 통한 화산재 확산 예측을 위해서는 풍향과 풍속 등의 기상 수치 자료가 필요하며 본 시뮬레이션 시스템은 한국 기상청의 UM(Unified Model) 자료와 NCEP(National Centers for Environmental Prediction)의 자료를 원시 자료로 사용할 수 있다. 또한 원시 기상 자료의 자료 해상도를 높이는 방법으로 WRF(Weather Research and Forecasting Model) 기상 모형 시뮬레이션이 절차에 포함된다. 마지막으로 화산재 확산 결과를 해석하기 위한 분석 방법을 추가할 수 있도록 하고, 그 결과를 웹 인터페이스를 통해서 확인할 수 있도록 하였다. 본 연구에서 개발한 화산재 확산 시뮬레이션 시스템은 화산재 확산 시뮬레이션 수행, 결과 해석 처리, 해석 결과의 가시화를 자동으로 수행하여, 화산재해의 분석 능력을 크게 향상시킬 수 있을 것으로 기대한다.

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 대기경계층내의 화산재 확산 특성은 26일 방출된 입자의 경우 주풍을 따라 집중되는 경향을 보이지만, 27일 방출된 화산재는 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 침적량 예측 및 산정에 적절하다고 판단된다.

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 수치실험을 실시하였다. 연구 대상일은 화산재 유입이 예상되는 2010년 10월 21일의 종관장이며, 방출 후 48시간 동안 화산재의 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 화산재의 침적량 분석에서 화산재가 기류를 타고 동해에서 유입되고 태백산맥의 차폐효과에 의하여 한반도 동쪽에 위치한 강릉, 부산의 침적량이 초기에 증가하는 경향을 나타내며, 지역별 침적량은 일시에 급격하게 증가할 수 있다.

최근 분화가능성이 대두되고 있는 백두산 화산이 폭발적으로 분화(噴火:eruption)하는 경우, 백두산에서 분출되는 대량의 화산재는 대기 중으로 확산되면서 많은 인적, 물적 피해를 가져올 것으로 사료된다. 서울을 기점으로 백두산으로부터 약 500km 떨어져 있는 우리나라는 화산 분출물로 인한 직접적인 피해보다는 화산재/오염물질의 간접적인 피해 영향권 내에 속하게 된다. 따라서 약 천년전과 같은 대규모 화산분화가 발생될 때 한반도 주변의 기압배치에 따른 종관 기상장의 영향으로 대기 중에서 이류, 확산, 침적을 통한 화산재의 비산과 낙하로 인한 지역적인 장·단기 영향이 나타나거나 피해를 초래할 가능성이 예상되며 우리나라 상공으로 확산된 화산재는 항공기 운항 및 해상 운송 등과 관련된 관광산업을 비롯한 농축산업, 환경 분야 등에 영향을 미칠 것으로 사료된다. 본 연구에서는 백두산 분화를 가정할 때, 대기 중으로 분출되는 화산재로 인하여 우리나라가 영향을 받게 될 피해 예측을 위하여 화산재 및 오염물질을 정량적으로 파악할 수 있는 화산재 피해예측 기술을 개발하고 화산재에 대한 취약함수를 기반으로 화산재에 의한 직접적 피해액을 예측하는 알고리즘을 개발, 피해액을 추정하였다.

본 연구는 화산재의 인간 건강에 대한 영향 및 그에 대한 종합대응에 대하여 이루어졌다. 역사적으로 백두산은 천년전에 대규모의 폭발이 있었으며 현재도 폭발의 가능성을 배제할 수 없는 화산으로 알려져 있다. 백두산 화산은 중국과 북한의 국경에 위치하여 남측까지 약 500 km 떨어져 있지만 백두산 화산이 대규모로 분출하는 경우 직접적인 피해는 주로 북한과 중국에 있게 될 것이지만 화산재가 확산하여 생기는 다양한 문제는 남측에 영향을 미칠 수 있다. 최근 백두산 화산분화에 대한 위험성이 보고되고 있으며, 이에 대응하기 위한 연구가 다각도로 진행중이다. 일반적으로 화산재를 이루고 있는 물질 중 오염된 미세한 분진은 대기 중에 머무르고 있다가, 인간이 접촉하게 되면 호흡기 질환 및 알레르기 질환을 유발할 수 있다. 본 연구진은 화산재 확산에 의한 보건 관리 종합대응의 분야를 질병을 유발하는 개인에 대한 건강 영향, 의료기관을 포함하는 보건의료체계에 대한 문제, 보건의료시설/보건의료장비/의약품/관련 인력을 포함하는 보건의료자원 관리 문제로 구분하여 이에 대한 관리 지침 도출을 통하여 종합적인 대응책을 세우도록 하였다. 이러한 각각의 종합 대응책은 화산재 농도와 건강 영향과의 관계에 대한 본 연구자들의 연구를 포함한 최근의 연구에 기반한 것이며, 이를 통하여 가능한 화산재 확산 시 보건관리 종합대책을 제안하게 되었다.

백두산은 그동안 화산활동이 정지된 화산으로 알려져 있었으나, 최근, 전문가들에 의하여 백두산이 화산활동중인 활화산임이 제기되고 있다. 다양한 분화의 전조들이 나타나고 있는 백두산이 분화할 경우, 한반도의 영향 여부에 대한 정보 제공 및 화산재 확산 가능성에 대한 신속한 대응을 위한 화산정보의 조기 제공의 필요성이 증대되고 있는 시점이다. 기상청은 날씨를 예측하기위하여 슈퍼컴퓨터를 사용, 단기 및 주간예보를 위해 19종의 수치예보모델을 하루 약 100회 이상 현업 운영하고 있으며, 이외에도 장기예측, 기후변화 관련 모델들과 연구 개발을 위한 다양한 수치예보모델들이 운영되고 있다. 그 중 지역예보모델(UM, 12kmL70)의 공간 해상도는 12km이며, 연직으로 약 80km까지 70층으로 구성되며, 3시간 간격으로 전지구 예보모델로부터 경계장을 제공받아 1일 4회(00, 06, 12, 18UTC) 87시간 예측을 수행한다. 본 연구에서는 백두산이 분화할 경우, 화산재의 이동 경로 및 tephra ground load/ thickness, airbone ash concentration 등을 추정하기위하여 현재 한국 기상청에서 수치예보모델로 사용되고 있는 UM 모델에서 생산되는 기상요소들을 Fall3D모델에 실시간 입력 자료로 사용하는 화산재 확산 조기경보시스템을 개발하였다.

본 연구에서는 백두산 화산 분화 시 발생할 것으로 예상되는 화산재 확산 피해에 대해 화산분화지역을 중심으로 그 주변 지역의 공간적 피해를 시뮬레이션(WRF 및 FALL3D)을 통해서 예상피해를 제공하는 프로그램을 구현하여 화산재 확산 가시화를 수행한다. 화산재해의 공간적 피해를 정량적으로 계산한 결과 값의 집합체(NetCDF)를 이용하여 Fall3D방식에 의한 화산재 확산모형을 표현하고 확산을 표현하기 위해 전처리된 확산 모델 결과 데이터를 입력받아 3차원으로 표현하고 가시화하는 방식에 대한 연구를 통해 효과적인 화산재의 확산을 시각화할 수 있도록 단위영역별 농도표시법, LOD적용방법, 적층레이어 효과 등을 사용하여 최적의 가시화 방법을 찾았다. 시도된 방식 중 LOD적용은 고농도 부분은 화산재 격자의 개수를 많게 표현하고 저농도에서는 화산재의 개수를 적게 표현하여 현실감을 극대화 하도록 프로그램을 구성하였으며, 현실적인 시각화를 위해 느슨한 옥트리(Loose Octree) 표현방식을 사용하여 LOD기법을 적용하였다. 최종적인 가시화 방식으로 선택한 적층레이어 표현 방식은 입자총농도(CON)내에 포함된 레이어(10개~ 61개)를 적절한 간격으로 선택하여 적층 가시화하고 투명효과를 적용하였다. FALL3D의 시뮬레이션 방식이 단위면적당 농도값을 나타내는 결과를 나타내는 결과파일이 고용량(1GB이상)이므로 가시화를 위해 데이터를 다운로드하고 표출하는 시간을 단축하기 위한 기술개발이 지속적으로 필요하다.

본 연구는 상이한 화산재의 인간 건강에 대한 영향 및 그에 대한 종합대책에 주목하여 이루어졌다. 일반적으로 화산재를 이루고 있는 물질 중 오염된 미세한 분진은 대기 중에 머무르고 있다가, 인간이 접촉하게 되면 호흡기 질환 및 알레르기 질환을 유발할 수 있다. 본 연구진은 화산재 확산에 의한 보건 관리 종합대책의 영역을 질병을 유발하는 개인에 대한 건강 영향, 의료기관을 포함하는 보건의료체계에 대한 문제, 보건의료시설/보건의료장비/의약품/관련 인력을 포함하는 보건의료자원 관리 문제로 구분하여 이에 대한 관리 지침 도출을 통하여 종합대책을 세우도록 하였다. 이러한 각각의 종합대책은 화산재 농도와 건강 영향과의 관계에 대한 본 연구자들의 연구를 포함한 최근의 연구에 기반한 것이다. 이를 통하여 가능한 화산재 확산 시 보건 관리 종합대책을 제안하게 되었다.

최근 언론을 통하여 백두산 화산분화에 대한 위험성이 보고되고 있으며, 이에 대응하기 위하여 백두산 화산 대응 기술 사업단이 소방방재청의 지원으로 출범 하였다. 백두산 화산은 중국과 북한의 국경에 위치하여 한반도까지 약 500 km 떨어져 있지만 백두산 화산이 대규모로 분출하는 경우 화산재가 남하하여 대한민국에 영향을 미칠 수 있다. 화산재에 의한 피해의 예로 2010년 아이슬랜드 Eyjafjallajökull 화산 폭발 시 대기에 분산되 화산재로 인하여 대규모 항공 장애가 발생하여 천문학적인 피해가 있었다. 이러한 물질적 피해 외에 1980년 미국의 St. Helens 폭발 당시 화산재에 의하여 여러 건강 문제가 제기 되었다. 따라서 백두산 화산의 대규모 분화에 대한 대비 및 대처가 필요하다. 앞서 설명하였듯이, 백두산 화산의 대규모 분화에 대한 관심이 높아지고 있는 시점에서, 화산 분화로 발생되는 화산재가 인체 건강에 어떠한 피해를 발생시키는 가에 대한 객관적이고 과학적인 연구가 필요하다.본 연구에서는 화산재에 의하여 발생 가능한 호흡기 질환에 초점을 맞추어 연구를 수행하였다. 먼저 화산재와 호흡기 질환과의 관계를 기존 연구 자료를 분석하여 파악하고 이를 바탕으로 백두산 화산 폭발 시 사용 가능할 것으로 기대되는 관리 기준에 관한 연구를 수행하였다.

본 연구는 거리와 시간에 따라 상이한 화산재의 인간 건강에 대한 영향 및 그에 대한 지침에 주목하여 이루어졌다. 과거 연구에서는 화산에서 멀리 떨어진 지역에서는 간접적이고 장기간의 피해가 중요한 반면, 화산에서 인접한 지역에서는 직접적이고 물리적인 피해가 관찰되고 있다. 일반적으로 화산재를 이루고 있는 물질 중 오염된 미세한 분진은 대기 중에 머무르고 있다가, 인간이 접촉하게 되면 호흡기 질환 및 알레르기질환을 유발할 수 있다. 본 연구진은 화산재 확산에 의한 보건 관리 지침의 영역을 질병을 유발하는 개인에 대한 건강 영향, 의료기관을 포함하는 보건의료체계에 대한 문제, 보건의료시설/보건의료장비/의약품/관련 인력을 포함하는 보건의료자원 관리 문제로 구분하여 이에 대한 관리 지침을 도출하도록 하였다. 이러한 각각의 관리 기준은 화산재 농도와 건강 영향과의 관계에 대한 본 연구자들의 연구를 포함한 최근의 연구에 기반한 것이다. 이를 통하여 가능한 환산재 확산 시 보건관리 기준을 제안하게 되었다.

백두산은 지리적으로 전체 면적의 3분의 1이 북한에, 그 나머지 영역이 중국에 속해있다. 최근 백두산 화산분화의 다양한 전조현상들이 나타나고 있으나 백두산에서 실제 일어나고 있는 직접적인 분화 전조현상에 대한 관측 자료를 획득하는 것은 쉽지 않다. 또한 현재 분화 가능성이 대두되고 있는 백두산지역의 지질학적인 환경을 고려한 분화 시나리오에 대한 연구가 매우 부족한 상태이기 때문에 지질학적인 요인을 고려한 분화 시나리오의 작성과 화산재의 한반도 유입 가능성에 대한 신속한 대응을 위한 화산재 확산 조기경보 기술의 개발이 필요한 시점이다. 우리나라는 백두산으로부터 지리적으로 약 500km이상 떨어져 있고, 화산재 및 오염물질의 확산으로 인한 간접적인 피해 영향권 내에 있으므로, 백두산이 폭발적으로 분화한다면 백두산을 중심으로 한반도 주변의 기압배치에 따른 종관 기상장의 영향을 받아 화산 분출물들이 대기 중에서 이류, 확산, 침적됨으로 인해 지리적 위치에 따라 지역적으로 장·단기적인 피해가 발생할 가능성이 예상된다. 본 연구에서는 화산재의 이동 경로 및 침적두께를 추정할 수 있는 Fall3D모델을 사용하여 분화구 주변지역으로부터 한반도의 동쪽에 위치하고 있는 일본지역까지 시간에 따른 화산재 확산현상을 수치모의 하였다. 또한 백두산 분화를 가정한 대표사례일의 기상장을 계산하고 화산에서 분출되어진 총 분출량에 따라 구분되는 화산폭발지수에 따른 화산재의 확산 경로, PM10농도, 화산재의 침적두께를 계산, 분석하였다.