이차원 영상우적계와 이중 편파 기상레이더를 이용한 화산재 추정과 예측에 관한 연구

Abstract

화산 분화 구름에 대한 이중편파 레이더 변수는 입자 미세 물리 과정에 의존하며, 이는 정량적 화산재 추정(QAE)에 필수적인 화산재 입자의 종단 속도(VT), 축비(γ) 그리고 canting 각도(β)와 같은 기초 물리 변수로부터 분석할 수 있다. 본 연구에서는 화산재 입자의 기초 물리 변수 특성을 분석하기 위하여 일본 가고시마 현 사쿠라지마 화산(31.58 ºN, 130.65 ºE)에 설치된 18개의 화산재 수집기기로부터 수집된 화산재를 샘플로 이용하여 실내에서 이차원 영상 우적계(2DVD)를 이용한 자유낙하 실험을 수행하였다. 입자 회전 대칭축을 가지는 입자 형태: 편원(oblate), 장구형(prolate), 그리고 구형 (sphere)와 지면에 대한 입자 주축의 낙하 방향: 수평(horizontally), 수직(vertically)에 따라 총 5가지 유형(OH, OV, PH, PV 그리고 Sp)을 선정하고 분류하였다. 수평 및 수직방향으로 낙하한 입자는 75.5 % 및 21.6 %의 비율로 존재하였고, 편원 및 장구형의 비율은 각각 76.2 % 및 23.8 %였으며, 가장 지배적인 입자 형태 유형은 OH(57.3 %)이었다. 입자 종단속도는 입자 형태 유형에 따라 분류되었다. 장구형 입자의 종단속도는 편원의 종단속도 보다 높았으며, 수직방향에 대한 종단속도가 수평방향보다 높았다. OH의 종단속도는 0.5 < D <1 mm 범위 내에 집중되어 있었으며, D < 0.7 mm에서 종단속도가 급격하게 증가하였다. 이는 D = 0.7 mm 구간에서 OH 입자의 축비가 급격하게 증가하며 샘플 수가 급격히 감소하였기 때문이다. 축비의 경우, D < 2 mm 구간에서 다양한 입자 형태에 따라 0 < γ < 1.5의 넓은 범위로 분포하는 반면 D > 2 mm 구간에서는 γ = 0.94로 수렴하였다. Canting 각도 분포는 수평 및 수직 방향으로 낙하한 입자에 대해 각각 단일 및 양봉 분포를 따랐다. 평균값은 입자형태 종류에 상관없이 β = 0 °에 수렴하였으며 표준편차는 안정 대기 조건 하에서 강수 입자에 대한 값(β = 10°)과 유사하였다. 실험실 관측결과 검증과 화산 분화 구름 내부의 시공간적 특성을 분석하기 위하여 화구로부터 3000m 이상 분화한 30개의 분화 사례를 Tarumizu 이중 편파 X밴드 기상레이더 (TRM, 31.48 ºN, 130.69 ºE)로부터 관측하였으며, 이 중 2DVD(31.58 ºN, 130.60 ºE)로부터 관측된 Case 12와 27를 분석 및 검증 사례로 선정하였다. 수평 반사도(Z)는 분화 이후 지속적으로 감소하였으며, 차등 반사도(ZDR)의 경우 분화 시작 당시 0.8 dB로부터 지속적으로 증가 후 30분 이후부터 약 1.5 dB에 수렴하였다. 교차상관계수(ρhv)는 분화 후 약 10분 동안 약 ρhv = 0.65까지 증가하였으며, 분화 후 20분 이후부터 감소하여 약 ρhv = 0.5에 수렴하였다. 비 차등 위상차(KDP)는 분화 직후에는 관측되지 않았으며, 분화 10분 이후부터 약 20분간 관측되었다. 이는 분화 구름 내부의 냉각으로 인한 수분 응결 및 부착에 따른 결과로 사료된다. 강한 분화 사례(Case 12)에서는 size sorting이 뚜렷하게 관측되었으나 상대적으로 약한 분화사례(Case 27)에서는 그 특징이 뚜렷하지 않았다. Size sorting이 나타나는 시기에는 β = 10º 이상의 β 변동성도 관측되었다. 레이더 최저 고도각(1.7º)에서 관측된 ZDR과 2DVD로부터 관측된 γ가 매우 낮은 상관성을 보인 반면, 실험실 관측 결과와 상응하였다. 이는 지상 부근에서 발생하는 수평 바람 또는 난류의 영향으로 예상된다. 입자 종단속도는 입자 직경이 증가함에 따라 실험실 관측 결과와 유사한 반면, 입자 직경이 감소함에 따라 강수 입자에 대한 종단속도 관계식과 유사한 분포를 보였다. 이는 화산재 입자의 수분 부착에 따른 혼합밀도의 감소로 인한 결과로 추정됨에 따라 화산재 입자의 수분 부착비(Wr)를 추정하였으며 이를 입자산란 모의 실험에 활용하였다. 수분이 부착된 조건에 대해 모의된 Z은 수분이 부착되지 않은 조건과 비교하였을 때 레이더 최저 고도각에 대한 1 kmⅹ3 rays 범위 평균 값과 높은 상관성을 보였다. 두 분화 사례에 대한 Z-RA 관계식은 Z = 22RA1.49 와 Z = 27.5RA1.22로 산출되었다. 강한 (약한) 분화 사례의 경우 보다 높은 (낮은) 멱급수와 낮은 (높은) 계수를 보였으며, 이는 강수 사례와 상반되는 특징이다. 두 사례에 대한 RA(Z, ZDR) 관계식은 각각 RA(Z, ZDR) = 0.057Z0.91ZDR2.00, RA(Z, ZDR) = 0.037Z1.03ZDR3.51로 산출 되었다. 높은 KDP 노이즈로 인하여 R-A(KDP)의 상관성은 매우 낮았으며 (RMSE = 43.0, 13.8 kg m-2 h-1), RA(Z, ZDR)의 RMSE는 0.5 kg m-2 h-1로 낙진량 추정식 중 가장 유의미한 결과를 보였다. 화산 분화 구름의 지배적인 내부 구조 및 미세 물리에 대한 시공간 특성을 분석하기 위하여 30개의 분화 사례에 대한 통계분석을 수행하였다. 전체 사례에 대해 Z과 ZDR은 각각 6dBZ와 1.5dB에서 최빈값을 가졌으며, 스펙트럼 폭(SW)과 ρhv는 전 범위에 고루 분포하였다. 이는 비 강수사례에서 보이는 특성과 유사하다. 전체 분화 사례에 대한 레이더 변수 시계열 특성은 개별 사례에서의 시계열과 일치하였다. 이는 외부 조건을 고려하지 않았을 때, 시간에 따른 레이더 변수의 변화에 높은 상관성이 있음을 시사한다. ZDR은 모든 관측 시간에 대해 고도 1.5 km에서 약 1.8 dB의 최대값을 가지며, 고도가 증가함에 따라 ZDR이 감소하였다. 이는 화산 구름 내부의 화산재 입자가 고도에 따라 분류되며, 저층에서는 편원이 지배적임을 설명한다. 폭발성 분화를 진단하기 위하여 최대 레이더 변수와 최대 관측 고도(HMAX) 관계의 상관성에 대해 분석하였으며, 폭발성 분화가 발생한 시기에 대한 Z, SW 그리고 ρhv와 관계가 HMAX와 높은 상관성을 가졌다. 거리에 따른 레이더 변수 및 입자크기분포 (PSD) 특성으로부터 화산 분화 재해 지도를 작성하였다. 추정된 낙진량 재해 지도는 가고시마시 전역에 설치된 화산재 수집기기로부터 관측된 낙진량 분포와 유사하였으며, 화구로부터 수평거리 10km 이내에서 유의미한 결과를 보였다. 기상레이더를 이용한 화산분화구름 내부구조에 관한 통계 분석 및 시공간에 따른 화산재 입자 미세물리 특성 분석으로부터 정량적 화산재 추정 및 재해 지도를 제시하였으며, 이를 통해 기상레이더 기반 화산구름 예측 및 방재기상에 도움이 될 것으로 기대된다.