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ISSN : 1225-6692(Print)
ISSN : 2287-4518(Online)
Journal of the Korean earth science society Vol.38 No.2 pp.115-128
DOI : https://doi.org/10.5467/JKESS.2017.38.2.115

The Numerical Simulation of Volcanic Ash Dispersion at Aso Caldera Volcano using Ash3D Model

Cheolwoo Chang1, Sung-Hyo Yun2*
1Department of Earth Science, Pusan National University, Busan 46241, Korea
2Department of Earth Science Education, Pusan National University, Busan 46241, Korea
Corresponding author: yunsh@pusan.ac.kr+82-51-510-2723, +82-51-513-7495
February 8, 2017 March 20, 2017 April 13, 2017

Abstract

Aso caldera volcano is located in central Kyushu, Japan which is one of the largest caldera volcanoes in the world. Nakadake crater is the only active central cone in Aso caldera. There was an explosive eruption on October 8, 2016, the eruption column height was 11 km, and fallout ash was found 300 km away from the volcano. In this study, we performed a numerical simulation to analyze the ash dispersion and the fallout tephra deposits during this eruption using Ash3D that was developed by the United States Geological Survey. The result showed that the ash would spread to the east and northeast, that could not affect the Korean peninsula, and the volcanic ash was deposited at a place from a distance of 400 km or more in the direction of east and northeast. The result was in close agreement with the identified ashfall deposits. Ash3D can be useful for quick forecast for the effects of hazards caused by volcanic ash.


Ash3D 모델을 이용한 아소 칼데라 화산에서의 화산재 확산 수치모의 연구

장 철우1, 윤 성효2*
1부산대학교 대학원 지구과학과, 46241, 부산광역시 금정구 부산대학로63번길 2
2부산대학교 지구과학교육과, 46241, 부산광역시 금정구 부산대학로63번길 2

초록

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.


    Korea Meteorological Administration
    KMIPA 20153060

    서 론

    아소산(阿蘇山; Asosan)은 일본 규슈 섬 중앙부의 구마모토 현 아소쿠주국립공원(Aso Kuju National Park) 에 위치한 일본의 활화산 중 가장 큰 화산으로, 세계 에서도 가장 큰 칼데라 화산 중의 하나이다. 아소산 은 아소 칼데라와 후칼데라 중앙화구군(中央火口群) 으로 되어 있는데(JMA, 2013), 네코다케(根子岳), 다 카다케(高岳), 나카다케(中岳), 에보시다케(鳥帽子岳), 그리고 기시마다케(杵島岳) 등 다섯 개의 봉우리를 통칭하여 아소5악(阿蘇五岳)으로 부른다. 최고봉인 다 카다케의 해발 고도는 1,592 m, 칼데라의 직경은 남 북 25 km, 동서 18 km, 외륜산의 둘레는 약 120 km 에 이른다. 현재 화산 활동이 주로 발생하는 봉우리 는 나카다케로, 현무암~현무암질 안산암의 조성을 가 지고 있다(GVP, 2017).

    아소산은 한반도와 그 주변국에 있는 화산 중 잠 재적으로 폭발적인 분화를 하여 한반도에 광역화산재 해를 유발할 수 있는 위험 화산체 29개(Yun et al., 2016)에 포함되며 이들 화산체 중 서울과의 거리가 백두산과 울릉도 다음으로 가장 가까운 화산이다. 아 소산은 직선거리로 도쿄(약 900 km)보다 서울(약 620 km)에 더 가까이 위치하여 있으며 부산과의 거리는 약 300 km 정도로 서울-부산 간 거리보다도 가까이 위치한다. 따라서 남동풍이 부는 특정 기상장에서 분 화가 발생할 경우 화산재가 풍하 측인 한반도로 이 동하면 이로 인한 광역화산재해가 발생할 가능성이 존재하므로, 화산재해 대비를 위한 화산재의 도달 범 위 및 침적량을 예측할 필요가 있다.

    Lee et al. (2012)은 다양한 지질학적 분화 강도에 따른 백두산 화산분출물의 확산 특성과 이들 분출물 이 한반도에 미치는 영향을 분석하기 위하여 대기역 학모형 WRF (Weather Research and Forecasting)와 확산모형 FLEXPART (FLEXible PARTicle dispersion model)를 이용하여 수치실험을 실시하였으며, 연구 대상일은 화산재 유입이 예상되는 2010년 10월 21일 의 종관장이며, 방출 후 48시간 동안 화산재의 이동 을 분석하였었다. Lee et al. (2014)은 화산재의 확산 특성을 분석하고, 침적량의 예측 가능성을 평가하기 위하여, 2011년 1월 26일 분화가 시작된 일본 기리 시마 화산을 대상으로 WRF와 확산모형 FLEXPART 를 이용한 수치모의실험을 실시하였다. 침적량의 분 포는 정량적인 측면에서 실제 화산 분출에 따른 영 향과 매우 유사한 경향성을 보이고, 제시한 수치모의 실험은 화산재의 이동 및 침적량 예측 및 산정에 적 절하다고 판단하였다.

    본 연구에서는 아소산의 역사시대 분화 특징을 알아 보고 폭발적인 분화로 광역화산재해를 유발할 경우 화 산재의 확산을 신속하게 예측할 수 있는 Ash3D 수치 모의를 통하여 2016년 10월 8일 분화를 실제 확인된 자료와 비교하여 향후 적용 가능성을 검토하였다.

    아소산의 화산지질

    현재의 아소 칼데라 화산체는 약 27만 년 전에서 9만 년 전까지의 4회에 걸친 거대한 화쇄류 분화의 결과로 형성되었다(Fig. 1). 세계에서 가장 큰 칼데라 중의 하나인 이 칼데라는 아소 시와 아소 타카모리 쵸, 남 아소무라 등을 포함한다. 칼데라가 내려다보 이는 외륜산(somma)의 전망대는 현재의 칼데라를 만 든 화산 활동 이전에 형성된 용암 위에 자리 잡고 있으며, 9만 년 전에 거대한 칼데라 분화(화산폭발지 수 VEI 7)에서 나온 600 km3 이상의 분출물들이 주 변을 덮고 있다. 이는 대략 후지산의 체적과 같다. 규슈 섬의 반 정도가 화쇄류 대지(pyroclastic flow plateau)로 덮여 있다고 추정된다.

    칼데라 이후 형성된 중앙화구군은 마지막 칼데라 형성 분화 직후에 시작되어 지역적인 용암류뿐만 아 니라 칼데라를 훨씬 뛰어 넘는 방대한 양의 테프라 층을 생성하였다. 현무암질 안산암에서 현무암에 이 르는 유일한 활동적인 중앙화구군의 원추형 화산체인 나카다케 화산은 일본에서 가장 활발한 화산 중 하 나이다. 나카다케 화산의 활동적인 분화구는 남북방 향으로 정렬된 7개의 작은 분화구들로 구성되는 복 합체이다. 지난 80년 동안 최북단의 분화구(제1 분화 구)만이 활동적이었지만 일부는 1933년 분화 이전에 도 활동적이었다. 나카다케 분화구는 서쪽에서 도로 로 접근할 수 있으며, 지속적으로 분연을 내뿜고 때 로는 화산재를 분화하는 활화산이며, 북쪽 분화구(제 1 분화구)가 지난 70년 동안-1974, 1979, 1984-1985, 1989-1991, 2009, 2011, 2015, 2016년-에 활동하였다. 나카다케 제1 분화구는 분화가 잠잠한 시기동안 산 성도가 높은 분화구 호수로 가득 차 있다. 화산 활동 기간 동안, 화산재 및 스트롬볼리언 분화와 수증기 또는 수증기마그마 폭발을 하는 것이 특징이다.

    아소산의 홀로세 및 역사시대 화산활동

    지난 1만 년 동안, 자누(Janoo) 스코리아구, 아카미 주(Akamizu) 용암, 기시마다케(Kishimadake, 약 4천 년 전), 오조다케(Ojodake, 3,600년 전)와 고메즈카 (Komezuka, 3,300년 전) 스코리아구(cone)들이 아소 산의 칼데라 형성 후기 중앙화구군의 북서부 지역에 형성되었다(Miyabuchi and Watanabe, 1997; Miyabuchi, 2009, 2010). 나카다케는 짧은 휴식기를 가졌지만 현 재까지 활동을 지속하고 있다(Table 1).

    나카다케의 가장 특징적인 홀로세 화산 활동은 화 산재 분화였으며, 어두운 짙은 분연주로부터 확산된 흑색의 사질 화산재가 연속적으로 바람을 타고 풍하 측에 강하화산재를 형성하였다(Ono et al., 1995). 약 5,000년 전에 용암이 분출되었고, 큰 규모의 수증기 마그마 분화가 약 1,500년 전에 강하-스코리아 퇴적 충을 형성하였다.

    역사 기록에 나타나는 대부분의 분화는 나카다케 분화구에서 발생했다. 역사 시대 분화기록을 정리한 Sudo (2007)에 의하면, 나카다케 외곽에는 1816년에 중앙화구군의 서쪽에 있는 유노타니(Yunotani)온천에 서 수증기 폭발에 의해 발생한 재해, 즉, 유노타니 대참사(湯の谷大, Ikebe and Fujioka, 2001)이라고 불리는 사건이 기록되어 있다. 최근에는 중앙화구군 의 서쪽에 위치한 요시오카(Yoshioka) 주변의 지열 활동이 증가하고 있다. 2006년에는 분기공이 형성되 었고, 식물이 시들어 죽었으며, 소규모의 암설류 (debris flow)가 발생하였다(Terada et al., 2007).

    최근의 화산 활동 주기성

    최근의 나카다케 제1 분화구의 화산 활동은 뜨거 운 분화구 호수 온도의 상승, 작은 진흙 분화, 뜨거 운 분화구 호수 수위의 하락과 호수의 소멸, 그리고 화산재 방출과 스트롬볼리언 분화로 이어지는 새빨갛 게 달아오른 상태, 이른바 백열(incandescent) 현상을 포함한다.

    최근의 지진 활동 및 지각 변형이 현저한 것은 아 니지만, 2016년 구마모토 지진 발생 이후 지각 변형 및 화산성 미동 활동 변화가 발생하였다. 강우 유입 으로 분화구 내 구덩이에 물이 가득 차게 되면, 폭발 로 이어지는 화산성 미동의 급격한 감소가 때때로 관찰된다. 아소 칼데라의 나카다케 분화구에서의 관 찰된 화산 활동 과정을 요약하면 아래와 같다(Fig. 2).

    활동이 시작되는 단계에서는, 200 m의 지름을 가 진 흰색의 분화구 내에 철 성분에 의해 초록빛을 띄 는 약 60°C로 뜨겁고 강산성인 호수가 존재하게 된 다(Fig. 2). 수위는 지하수와 분기공에 의해 비교적 일정하게 유지되며, 쉽게 변경되지 않는다. 화산 활 동이 활발해지고 수온이 비등점까지 올라가면 증발이 촉진되어 뜨거운 물의 수위는 점차 낮아지고, 간헐적 으로 많은 진흙 분화(작은 규모의 수증기 폭발)가 발 생하여 뜨거운 물과 직경 5 m 이내의 오래된 암석 조각들을 분화구 주변에 방출하는데, 이것은 때로는 분화구 밖 최대 1 km 이상까지 날아간다.

    분화구의 바닥에는 수 m 직경의 많은 작은 구덩이 가 열리고 고온의 화산 가스와 화산재를 방출하면서 점차 백열 상태가 된다(Fig. 2). 이 후에 많은 화산재 가 강렬한 덜컹거리는 소리, 수십 m 높이의 화염, 화 산암의 방출과 함께 튀어나온다. 이로 인해 구덩이는 확장되어 직경 수십 m 크기로 커져 결국 분화구 바 닥 전체로 커진다. 이 단계에서 많은 양의 화산재가 수십 km 높이로 뿜어져 나온다.

    화산 활동이 더욱 심해지면 스트롬볼리언 유형의 분화 단계가 시작된다(Fig. 2). 몇 주 또는 몇 달 동 안의 스트롬볼리언 유형의 화산 활동은 다량의 신선 한 마그마 파편과 화산재를 방출하는 등 강력한 활 동을 하다 점차 약화되고 화산 활동은 중단된다. 분 화구 주위에 퇴적된 화산재는 빗물에 의해 분화구로 씻겨 내려가고 분화구 벽은 부분적으로 무너진다. 그 러면 분화구의 바닥이 매몰되고 새로운 분화구 바닥 이 다시 나타나기 시작한다. 분화구가 뜨거운 물로 채워지면서 전체 분화구 바닥을 덮고 있는 호수가 점차 다시 형성되고, 수위가 서서히 올라간 후 안정 된다.

    화산 활동 후 일부 에너지가 남아있는 경우에는 여전히 수증기폭발이 발생할 수 있는데, 이것이 분화 사이클의 끝이다. 이런 식으로 평온한 시기가 지나면 호수는 초록색이 되고, 주기가 완료된다(Fig. 2). 이는 아소 칼데라 화산의 나카다케 분화구에서 관찰된 화 산주기(volcanic cycle) 중 하나이며(Sudo, 2001), 모 든 활동적 단계에서 새로운 화도가 열리면 많은 양 의 화산재가 방출되는 것이 나카다케 분화구의 분화 의 주요 특징이다.

    2016년 10월 8일 분화 사건

    2016년 10월 8일 오전 1시 16분 아소산에서 폭발적 인 분화가 발생하였다. 아소산은 과거에도 대규모의 화산분화가 발생하였으며 지금까지도 소규모의 분화 가 지속적으로 발생하고 있지만, 10월 8일에 발생한 분화는 1980년 이후 36년 만의 폭발적 분화로서, 일 본기상청에 따르면 폭발 당시 생성된 분연주는 최대 11 km 상공까지 올라간 것으로 파악되었다. 분화 직후 일본의 TV방송에는 일본기상청의 분화 경보가 긴급 속보로 보도되었다. 화산재는 아소산으로부터 6 km 떨어진 아소 시의 곳곳에서 최대 3-4 cm가량 퇴적되 었으며, 분화구에서 300 km 이상 떨어진 시고쿠 지역 가가와 현 다카마쓰 시에서도 화산재가 확인되었다.

    2016년 10월 8일 일본 기상청에서는 아래와 같은 ‘아소산 화구주변 경보(분화 경계레벨 3: 입산 규제)’ 를 발표하였다(JMA, 2016).

    ‘아소산의 나카다케 제 1화구는 오늘(8일) 01시 46분에 폭 발적 분화가 발생했습니다. 분화에 의해 1 km 이상의 넓은 범위에 분석이 비산될 가능성이 있습니다. 따라서 01시 55 분에 아소산 화구 주변에 경보를 발표하고, 분화 경계 레벨 2(분화구 주변 규제)에서 3(입산 통제)으로 상향 조정하였습 니다. 분화구에서 대략 2 km 범위에서 분화에 따른 탄도를 그리며 비산하는 큰 분석과 화쇄류에 주의하십시오. 화구 주 변에서는 강풍 시 작은 분석들이 2 km 이상의 거리까지 덜 어지기 때문에 풍하측면에서는 화산재뿐만 아니라 작은 분 석이나 화산 가스에도 주의하십시오. 또한, 이번 분화에 대 하여 01시 50분에 분화 속보를 발표하였습니다. 일본 기상 위성의 고도 11,000 m의 분연을 관찰하였고, 이 때문에 강 회 예보(강하화산재 예보)를 03시 15분에 발표하였습니다’

    아소산 화산활동에서 화도 내에서 발생한 폭발에 의한 지진에 수반되어 분화구 주변의 관측점에서 일 정 기준 이상의 공기의 진동을 관측한 경우에 이를 ‘폭 발적 분화’라고 정의한다.

    폭발적 분화 후의 화산현상

    일본기상청에서 10월 13일 오후 6시 40분 발표한 화산활동 해설 자료에 의하면, 전체적으로 아소산의 분화 경계 레벨 3(입산 통제)이 계속 발효 중이다. 나카다케 제 1 화구는 10월 8일 오전 1시 46분의 폭 발적 분화 이후 더 큰 분화는 관찰되지 않았으며, 12 일 실시된 분화구 현지 조사에서는 나카다케 제 1 화구에 회백색의 물웅덩이를 확인하였다(JMA, 2016). 다만 물웅덩이 양이나 토사(土砂) 분출은 분화구의 분기가 많아 확인할 수 없었다. 적외선 열영상장치에 의한 관측에서 물웅덩이 표면의 최고 온도는 약 90°C로 9월 관측 시 약 70°C에 비해 높아지고 있었 다(JMA, 2016). 적외선 열영상장비는 물체가 방출하 는 적외선을 감지하여 온도 분포를 측정하는 측정 장치로서, 열원에서 멀리 떨어진 곳에서 측정 할 수 있는 장점이 있지만, 측정 거리 및 대기 등의 영향으 로 실제 열원의 온도보다 낮게 측정 될 수 있다.

    12일 실시된 분화구 주변의 분석들과 분화 퇴적물 조사에서는 분화구 중심에서 남서쪽 200 m 부근의 분화구 가장자리에 직경 수 m 이상의 큰 분석들이 비산되어 있는 것을 확인했다(JMA, 2016). 또한 이 번에 조사한 분화구 남쪽에서 남서쪽의 화구 중심으 로부터 약 700 m의 범위에는 직경 약 1-1.5 m의 큰 분석들이 비산되어 있는 것을 확인했다. 분석(噴石)은 그 크기에 의한 바람의 영향의 정도의 차이에 의해 도달 범위가 크게 달라진다. 큰 분석은 분화구에서 방출되어 바람의 영향을 받지 않고 탄도를 그리며 비산하는 분석을 말하며, 작은 분석은 분화구에서 방 출되어 바람에 휩쓸려 더 멀리 이동하여 지면으로 떨어지는 더 작은 크기의 분석을 말한다. 또한, 화구 남쪽에서 남서쪽까지의 화구 중심으로부터 500 m의 범위에서는 강하화산재(降灰)가 수 cm에서 30 cm 정 도까지 퇴적되어 있는 것을 확인했다.

    12일 실시한 화산 가스의 조사에서는 화산가스(이 산화황)의 일일 방출량은 1,400톤/일으로 나타났다. 분화 이전인 7일에 조사한 15,000톤/일에 비해서는 감소했지만, 11일 관측한 600톤/일에 비해서는 다소 증가했다(JMA, 2016).

    이를 종합하여, 아소산의 화산 활동은 활발한 상태 이며 앞으로도 8일의 폭발적 분화와 같은 수준의 분 화가 발생할 수 있다고 평가하였다.

    Ash3D 모델

    Ash3D는 미국 USGS (The United States Geological Survey)의 Larry Mastrin을 중심으로 개발한 web 인 터페이스의 화산재 확산 및 침적을 위한 수치 모의 프로그램으로, Eulerian 및 Hybrid (Semi-Lagrangian) 확산 모델을 사용하며, fortran90/95를 베이스로 개발 되었다. 이 모델은 NWP (Numerical Weather Prediction) 모델로부터 가져온 바람장을 사용하여 오일러 모델을 이용하여 화산재 수송을 계산한다. Ash3D모델을 통 한 수치모의 결과는 지금까지 여러 차례에 걸쳐 실 제 화산재 관측 결과와 비교를 통해 모의의 신뢰도 및 정확성을 향상시켰으며, 지금도 계속하여 수정 개 발되고 있다(Mastin et al., 2013). Ash3d는 연구 및 각종 상황에서 사용할 수 있는 다양한 출력물을 제 공하는데, 여기에는 화산재 이동 및 침적 경로를 표 시한 이미지 파일, 구글어스 및 ArcMap에서 사용 가 능한 kmz 형식 파일, 시간별 화산재 이동을 애니메 이션으로 나타낸 gif파일, Ash3D 서버의 데이터베이 스에 등록되어 있는 공항에 분화 수치모의 결과로 얻어진 화산재의 도달 시각 및 침적 두께에 대한 내 용이 포함되어 있다.

    Ash3D는 3차원 셀 격자로 나누어진 대기 내에서 셀의 경계를 통과하는 질량의 흐름을 계산하여 화산 재 수송을 모의한다(Fig. 3). 분화 모의의 시작 시에 화산재는 일정한 속도로 화산 위의 셀 세로열에 주 입된다. 수치예보모델에서 가져온 3차원 시간 의존 바람장을 사용하여, 화산재가 바람 방향으로 이류 및 확산되는 것은 사용자가 입력한 확산 계수에 의해 결정된 확산속도에 의해 모의된다. 각각의 화산재 입 자는 그 입자의 대기 중에서의 낙하 속도에 의해 정 해진 비율로 강하하며, 지표면에 도달하는 경우 침적 되도록 고안되었다.

    VATDM (Volcanic Ash and Tracking/Dispersion Model) 또는 VAFTAD (Volcanic Ash Forecast Transport And Dispersion Model)로 알려진(Heffter and Stunder, 1993; Mastin et al., 2009a, 2009b) 화산재 확산 모 델들을 비교해 보면(Bonadonna et al., 2010, 2012), Ash3D는 FLEXPART, HYSPLIT, MLDP0, NAME, FUFF모델과 함께 국지적~전지구적 범위에 대한 모 의가 가능하며, FLEXPART, HYSPLIT이나 FUFF모 델 대비 많은 수의 결과물 형태를 제공하는 장점이 있다.

    수치모의 입력 변수

    사용자가 Ash3D를 이용한 수치모의를 위해 입력해 야 하는 변수는 수치모의 작업명, 수치모의 대상(화산 재확산/침적), 모의 대상 화산의 위치, 분화 개시 시각, 수치모의의 지속시간, 분화의 지속 시간, 분연주 높이, 분출물의 부피 등이다(Fig. 4). Ash3D는 부유 화산재 의 확산 또는 화산재 침적에 대한 모의를 개별, 또는 동시에 진행할 수 있으며 부유 화산재 및 화산재 침적 모의의 결과물은 각각 개별적인 파일로 생성된다.

    수치모의를 할 화산을 선택할 때, DB에 저장되어 있는 화산의 경우 화산의 이름을 영어로 입력하면 경위도 좌표 및 고도가 자동으로 입력된다. 또한 각 화산에 대한 기본적인 설정이 저장되어 있기 때문에, 해당 화산의 분화 지속시간이나 분연주 높이, 분출물 의 부피를 입력할 때 해당하는 기본값을 참고할 수 있다. 분화 개시 시각은 그리니치 표준시(UTC)로 입 력한다. 단 모의를 위한 도메인은 Ash3D에서 자동으 로 결정한다. 모든 정보를 입력하고 작업을 저장하면 서버에서 연산이 시작되고, 연산에는 서버 상태와 설 정 등에 따라 다르지만 보통 약 15분 내외의 시간이 소요된다. 작업이 끝나면 zip형식으로 압축된 결과물 을 다운로드할 수 있다.

    수치모의 결과물

    Ash3D의 수치모의 결과물은 Fig. 5와 같이 여러 가지 형식의 결과물로 구성된 zip 형식의 파일로 제 공(Mastin, 2012)된다. 여기에는 3시간 간격으로 화산 재의 확산 범위/침적범위가 컬러로 나타나는 지도 이 미지 파일, 그리고 시간대별 화산재 확산 범위를 gif 애니메이션으로 제공하며, Google Earth 및 ArcGIS 와 같은 GIS 프로그램에서 불러올 수 있는 kmz형식 파일 등이 포함되어 있다.

    압축파일의 이름은 예를 들면 ash3d_aso1008-2(사 용자가 입력한 작업명)_air(모의대상, 화산재 침적의 경우는 “dep”)_20161008-07_45_02(UTC모의시작시각) z.zip이다. kmz파일 형식의 결과물에는 모의 시간 동 안의 화산재 확산 및 침적 정보가 기록되어 있기 때 문에, 사용자는 시간 조절 막대를 움직여 원하는 시 각에 따른 정보를 얻을 수 있다. 부유 화산재 모의 결과의 경우 화산재의 확산 범위와 함께 화산재의 고도(km) 및 농도(mg/m3)와 화산재의 도달 시각에 대한 정보를, 화산재 침적 모의 결과의 경우 침적 범위와 두께(mm 및 inch)를 시각적으로 확인할 수 있다.

    그리고 Ash3D 서버의 DB에 저장되어 있는 공항 의 정보를 이용하여 인근 공항에 화산재가 도달하는 시각을 기록한 표를 텍스트 파일로 제공하며, 또한 인근 주요 공항의 위치와 공항에 화산재가 도달하는 시각 등을 Google Earth 등에서 시각적으로 볼 수 있도록 kmz 파일 형식으로 제공한다(Fig. 6).

    2016년 10월 8일 아소산 분화 화산재 확산 수치 모의

    본 연구에서는 2016년 10월 8일 발생한 아소 칼데 라 화산 분화에서 발생한 화산재의 이동 및 침적에 대한 수치모의를 위하여 Ash3D 모델을 사용하여 수 치모의를 실시하였다. Ash3D 수치모의에 필요한 파 라메터는 수치모의 시간, 분화 지속시간, 분연주 높 이, 분출물의 부피, 모의 시작시간이다. 2016년 10월 8일의 아소산 화산 분화에 대한 수치모의를 위하여 일본기상청이 10월 8일 새벽 2시 20분 경 발표한 분 연주 높이인 11 km를 기준으로 해당 분화를 VEI 3 내지 VEI 4에 해당하는 분화로 추정하였다. 이에 수 치모의시간은 48시간, 분화지속시간은 12시간으로 설 정하고, 분연주 높이는 11 km, 분출물의 부피는 VEI 3에 해당하는 0.01 km3과 VEI 4에 해당하는 0.1 km3 (DRE: airborne ash fraction=5%)으로 하여 수치모의 를 실시하였다. 모의 시작시간은 UTC 2016-10-07 16:46 (일본 표준시 2016-10-08 01:16)으로 설정하였다.

    수치모의 결과

    전술한 VEI 3과 VEI 4에 해당하는 두 가지 부피 의 경우에 대하여 각각 부유 화산재 확산 및 화산재 침적에 대한 모의 결과를 얻었다. 분화 개시 이후 2016.10.07.18:00 UTC부터 시작하여 6시간 간격으로 나타난 부유 화산재의 확산을 나타낸 이미지들을 정 리하면 Fig. 7과 Fig. 8과 같다.

    VEI 3에 해당하는 부피의 화산재에 대한 모의(Fig. 7)에서 화산재는 동-동북동 방향으로 확산되기 시작 하여 분화 개시 후 약 1시간(Fig. 7a)이 지난 직후 시고쿠 및 혼슈 서쪽 상공에 도달하였다. 분화 개시 후 약 13시간이 지난 시점(Fig. 7c)에서 화산재는 도 쿄를 포함한 혼슈 서쪽 절반 이상을 덮고 화산재 아 래쪽은 태평양 쪽으로 확산되었다. 분화 개시 후 19 시간정도 지난 시점(Fig. 7d)에서 화산재는 대부분 혼슈 중앙부 도쿄 근처에 집중되어 있으며, 그 이후 동북동 방향으로 그 중심이 이동하여 25시간(Fig. 7e)-31시간(Fig. 7f) 경과 시 대부분 태평양으로 확산 되어 이동하였다. 분화 개시 후 37시간 경과 시점 (Fig. 7g)에서 일본열도 상공에는 화산재가 대부분 사 라졌으며 41시간 이후(Fig. 7h)에는 일본 상공의 화 산재는 이미지에 표시되지 않는 상태(1 g/m2 미만)이 며 화산재 일부가 날짜변경선을 통과하여 태평양 중 앙까지 도달한 것을 볼 수 있다. 모의 종료시점(Fig. 7i)까지 화산재는 아소산의 동쪽 방향으로 계속 이동 하였고 전반적으로 화산재 농도는 옅어진 상태이다.

    VEI 4에 해당하는 부피의 화산재에 대한 모의(Fig. 8)에서 화산재는 VEI 3의 경우와 마찬가지로 초기 확산 방향은 동-동북동 방향이다. VEI 3에 비하여 부피가 10배 증가하였으므로 부유 화산재의 하중 역 시 VEI 3의 경우에 비해 훨씬 큰 것을 볼 수 있으나, 확산 범위는 큰 차이를 보이지 않았다. 분화 개시 후 약 7시간 경과 시점(Fig. 8b)에서 화산재 확산 범위 는 VEI 4의 경우가 조금 더 넓지만, 그 하중은 VEI 3에서 10 g/m2 이하로 표시되던 것에 비해서 100 g/m2 이하로 표시되므로 화산재가 훨씬 두껍게 분포하 는 것을 알 수 있다. 분화 개시 후 약 13시간이 지난 시점(Fig. 8c)에서 화산재는 VEI 3에 비해 약간 넓은 각도로 확산되고 있음을 볼 수 있다. 이후 확산되는 화산재의 이동 양상은 VEI 3과 비교하였을 때 큰 차 이가 없지만, 분화 개시 후 37시간 경과 시점에서 일 본열도 상공의 화산재가 대부분 표시되지 않을 정도 의 낮은 하중으로 표시된 것과는 달리 1 g/m2 이하로 계속 표시되고 있음을 볼 수 있었다. 모의 종료시점 까지 태평양 쪽으로 확산된 화산재의 도달 거리 자 체는 VEI 3에 비해 약간 증가한 정도로 큰 차이를 보이지 않으나, 화산재가 거쳐 간 지역에 아직까지 화산재가 일정 하중 이상으로 남아 있음을 볼 수 있 었다.

    Fig. 9는 VEI 3과 VEI 4에 해당하는 화산재 침적 모의 결과이다. VEI 3의 경우 아소 산의 동북 방향 아 소 시 및 북동쪽 약 30 km까지 1~2 cm 두께의 화산재 가 쌓이고, 규슈 오이타 현 오이타 시와 히로시마 현 후쿠야마 시, 오카야마 현 오카야마 시 및 효고 현 히 메지 시 및 북쪽까지 약 1mm 두께로 최대 450 km 정도까지 확산되어 침적된 것을 볼 수 있었다. VEI 4 의 경우 아소 시 및 동북 방향으로 오이타 시 인근까 지 3 cm 이상 침적되었으며, 히메지 시 인근까지 약 1mm 두께, 시가 현 및 후쿠이 현과 나가노 현 일부 지역, 그리고 일부 화산재의 경우 군마 현 도네 군까 지 약 0.1mm 이상 침적된다는 결과가 나왔다.

    2016년 10월 8일 일본기상청(JMA, 2016)이 발표 한 강하 화산재 예보에 따르면, 아소 시와 그 일대, 그리고 오이타 현의 다케다 시에는 다량의 강하화산 재가 발생하며 멀리는 효고 현 아와지 시 까지 0.1 mm 정도의 강하화산재가 발생할 것으로 예보하였다. 일본기상청 산하의 후쿠오카관구기상대(福岡管象台: Fukuoka District Meteorological Observatory)에서 10 월 8일의 강하화산재에 대하여 야외에서 직접 관측 한 자료와 인근 지역기상대로부터 전언으로 접수한 강하화산재 정보를 종합하여 실제 낙하한 화산재의 확산 경로 및 낙하지점을 발표하였다(Fig. 10). 본 연 구의 화산재 확산 침적 모의 결과는 일본기상청의 강회 예보(JMA, 2016)와 실제 낙하된 화산재 경로의 중간 정도에 해당하는 범위를 나타내었다. 일본기상 청의 강회 예보에 어떤 변수와 기상장, 그리고 수치 모델이 이용되었는지에 대한 정보는 입수할 수 없었 으나, 본 연구에서의 모의 결과와 비교했을 때 분연 주 높이를 통해 가정한 VEI인 3~4 수준의 VEI에 해 당되는 변수가 이용되었음을 유추할 수 있다.

    결 론

    본 수치모의 결과에 따르면, 2016년 10월 8일 아 소산 나카다케 분화구에서의 폭발적인 분화에 의해 발생한 대부분의 화산재는 아소 칼데라 화산의 동쪽 에서 북동쪽으로 확산되어, 규슈 섬의 북서쪽 먼 거 리에 위치한 우리나라에는 피해를 주지 않는 것으로 분석되었다.

    분화 당시 일본기상청의 화산재 낙하 예보에 따르 면, 화산재는 화구로부터 북동방향으로 이동하여 효 고 현 남부 아와지 시까지 화산재가 낙하할 것으로 예측하였다.

    본 연구에서의 침적 모의 결과, VEI 3의 경우 아 소 산의 북동쪽 약 30 km까지 1-2 cm 두께의 화산재 가 쌓이고, 오이타 현과 히로시마 현, 오카야마 현 및 효고 현까지 약 1 mm 두께로 최대 450 km 정도 까지 확산되어 침적된 것을 볼 수 있었다. VEI 4의 경우 동북 방향으로 오이타 시 인근까지 3 cm 이상, 히메지 시 인근까지 약 1 mm 두께, 후쿠이 현과 나 가노 현 일부 지역, 그리고 일부 화산재의 경우 군마 현까지 약 0.1 mm 이상 침적된다는 결과가 나왔다.

    이는 일본기상청 후쿠오카관구기상대의 실제 관측 된 화산재 침적 결과와 대체로 일치한다.

    Ash3D모델은 폭발적인 분화에 의한 화산재 확산을 모의하는 다양한 시뮬레이션 프로그램 중에서, 수치 모의에 소요되는 시간이 짧고 인터페이스가 간단하며 모의에 필요한 파라메터의 숫자가 적으므로, 분화 발 생 직후 빠른 수치모의를 통하여 화산재 이동 및 침 적 경로를 표시할 수 있다.

    또한 화산재 이동 및 침적 경로의 이미지 파일, 구 글어스 및 ArcMap에서 사용 가능한 kmz 형식 파일, 시간별 화산재 이동을 애니메이션으로 나타낸 gif 파 일, Ash3D 서버의 데이터베이스에 등록되어 있는 공 항에 분화 수치모의 결과로 얻어진 화산재의 도달 시각 및 침적 두께에 대한 내용 등을 산출하여 빠른 재해 예보를 하는 것에 매우 유용하다고 판단된다.

    그러므로 향후 화산재로 인한 광역화산재해의 영향 범위에 대한 사전 예측 및 방재 차원에 대비하여 Ash3D모델을 적극 활용할 수 있을 것이다.

    감사의 글

    이 연구는 기상청 지진개발기술사업(KMIPA 2015- 3060)의 지원으로 수행되었습니다. 본 논문을 읽고 긍정적인 비평과 수정을 해 주신 익명의 심사자에게 감사드린다.

    Figure

    JKESS-38-2-115_F1.gif

    Brief history of the Aso caldera volcano.

    JKESS-38-2-115_F2.gif

    Process diagram of recent volcanic activity at Aso Nakadake crater (Sudo, 2001).

    JKESS-38-2-115_F3.gif

    Schematic image of Ash3D on Google Earth (Schwaiger and Mastin, 2015).

    JKESS-38-2-115_F4.gif

    Ash3D parameters and input window on web interface.

    JKESS-38-2-115_F5.gif

    Different output formats of Ash3D. (a) animation of airborne ash cloud (b) kmz format of ash deposit area and thickness for Google Earth (c) image of ash deposit area and thickness (d) tables of arrival times to airports.

    JKESS-38-2-115_F6.gif

    Placemarks of airports on Google Earth. Each placemarkes shows some informations such as the name of airport, ash cloud arrival time, deposit thickness versus time, etc.

    JKESS-38-2-115_F7.gif

    Simulation result of ash dispersion assumed VEI 3 with ash cloud load.

    JKESS-38-2-115_F8.gif

    Simulation result of ash dispersion assumed VEI 4 with ash cloud load.

    JKESS-38-2-115_F9.gif

    Distribution of ash deposit in case of VEI 3 (a) and VEI 4 (b).

    JKESS-38-2-115_F10.gif

    The distribution of fallout ashes accompanying the eruption on October 8th, 2016 in Aso Volcano (Modified from Fukuoka District Meteorological Observatory(2016)). Fallout ashes were identified in Kumamoto Prefecture, Oita Prefecture, Ehime Prefecture and Kagawa Prefecture, which are located on the northeast side of Mt. Aso. The blue dashed line in the figure shows the range of fallout ash.

    Table

    The catalog of eruptive events during the last 10,000 years in Aso volcano for eruptive period, area of activity and eruption type with main phenomena(Kudo and Hoshizumi, 2006)

    Reference

    1. Bonadonna C , Arnau Folch A , Loughlin S , Puempel H (2010) Ash dispersal forecast and civil aviation workshop , Consensual Document, ; pp.26
    2. Bonadonna C , Folch A , Loughlin S , Puempel H (2012) Future developments in modelling and monitoring of volcanic ash clouds: outcomes from the first IAVCEI-WMO workshop on Ash Dispersal Forecast and Civil Aviation , Bulletin of Volcanology, Vol.74 ; pp.1-10
    3. Fukuoka District Meteorological Observatory (2016) Volcanic activity explanation material on Mt Aso (October, Heisei 28) , Regional volcano monitoring and alarm center, ; pp.7-17
    4. Global Volcanism Program (2017) National Museum of Natural History, Smithsonian Institution , Smithsonian/USGS Weekly Volcanic Activity Report, http://volcano.si.edu/
    5. Heffter J.L , Stunder B.J (1993) Volcanic ash forecast transport and dispersion (VAFTAD) model , Weather Forecast, Vol.8 ; pp.534-541
    6. Ikebe S , Fujioka M (2001) “Yunotani Catastrophe” of 1816, in Aso volcano, southwest Japan-historical records of steam explosion , Bulletin of the Volcanological Society of Japan, Vol.46 ; pp.147-163(in Japanese with English Abstract)
    7. Japan Meteorological Agency (2013) National catalogue of the active volcanoes in Japan, Japan Meteorological Agency and Volcanological Society of Japan,
    8. http://www.data.jma.go.jp/svd/vois/data/tokyo/STOCK/souran/main/84_Asosan.pdf,
    9. Japan Meteorological Agency (2016) Announcement of an alarm around the crater of Mt Aso (eruption warning level 3: Regulation into the mountains), http://www.jma.go.jp/jma/press/1610/08a/asosan161008.html
    10. Kudo T , Hoshizumi H (2006) Catalog of eruptive events within the last 10,000 years in Japan, database of Japanese active volcanoes , Geological Survey of Japan, AIST, http://riodb02.ibase.aist.go.jp/db099/eruption/index.html
    11. Lee S.H , Jang E.S , Lee H.M (2012) A case analysis of volcanic ash dispersion under various volcanic explosivity index of the Mt. Baegdu , Journal of the Korean Earth Science Society, Vol.33 ; pp.280-293(In Korean with English Abstract)
    12. Lee S.H , Jang E.S , Yun S.H (2014) Numerical simulation of volcanic ash dispersion and deposition during 2011 eruption of Mt. Kirishima , Journal of the Korean Earth Science Society, Vol.35 ; pp.237-248(In Korean with English Abstract)
    13. Mastin L.G , Guffanti M , Servranckx R , Webley P , Barsotti S , Dean K , Durant A , Ewert J.W , Nerie A , Rose W.I , Schneider D , Siebert L , Stunder B , Swanson G , Tupper A (2009a) A multidisciplinary effort to assign realistic source parameters to models of volcanic ash-cloud transport and dispersion during eruptions , Journal of Volcanology and Geothermal Research, Vol.186 (1-2) ; pp.10-21
    14. Mastin L.G , Guffanti M , Ewert J.E , Spiegel J (2009b) Preliminary spreadsheet of eruption source parameters for volcanoes of the world , U.S. Geological Survey Open-File Report 2009-1133, Vol.1.2 ; pp.25
    15. Mastin L (2012) Understanding Output to the USGS Ash3d model, USGS , (with Ash3D Output),
    16. Mastin L , Randall M , Schwaiger H , Denlinger P (2013) “User’s Guide and Reference to Ash3d: A ThreeDimensional Model for Eulerian Atmospheric Tephra Transport and Deposition”, USGS, ; pp.58
    17. Miyabuchi Y (2009) A 90,000-year tephrostratigraphic framework of Aso Volcano , Japan. Sedimentary Geology, Vol.220 ; pp.169-189
    18. Miyabuchi Y (2010) Eruption age of Komezuka at Aso volcano , Japan Bulletin of the Volcanological Society of Japan, Vol.55 ; pp.219-225(in Japanese with English Abstract)
    19. Miyabuchi Y , Watanabe K (1997) Eruption ages of Holocene tephras from Aso volcano, southwestern Japan, inferred from 14C ages of buried andisols , Bull. Volcanol. Soc. Jpn, Vol.42 ; pp.403-408(in Japanese with English Abstract)
    20. Ono K , Watanabe K , Hoshizumi H , Takada H , Ikebe S (1995) Ash Eruption of Nakadake Volcano, Aso Caldera, and its Products , Bulletin of the Volcanological Society of Japan, Vol.40 ; pp.133-151(in Japanese with English Abstract)
    21. Schwaiger H , Mastin L (2015) Operational use of numerical dispersion/fallout models at the USGS to advise partner agencies and the public of ashfall hazards,
    22. Sudo Y (2001) Characteristics of volcanic activity of Aso volcano-open volcano , Chikyu monthly, Vol.23 (8) ; pp.545-550(In Japanese)
    23. Sudo Y (2007) Learning from Aso, Odori Shobo, ; pp.319(In Japanese)
    24. Terada A , Sudo Y , Yoshikawa S , Inoue H (2007) Quantitative Analysis of Geothermal Events at the Yoshioka Hot Spring, Aso Volcano, in 2006 , Bulletin of the Volcanological Society of Japan, Vol.52 ; pp.335-340(in Japanese with English Abstract)
    25. Yun S.H , Choi E.K , Chang C.W (2016) Selecting hazardous volcanoes that may cause a widespread volcanic ash disaster to the Korean Peninsula , Journal of the Korean Earth Science Society, Vol.37 ; pp.346358(in Japanese with English Abstract)