CALPUFF (California Puff model)는 가우시안 퍼프모델로 미국 EPA의 권장 모델의 하나로 굴뚝에서 연속적으로 배출되는 연기를 잘게 나누어진 연기덩어리 (Puff)의 형태로 배출된다고 가정하고, 배출된 퍼프들이 3차원 공간 해상도를 갖는 바람장을 따라 이동, 확산하면서 수용지점에 미치는 영향을 농도 형태로 나타내는 모델이다 (Koo et al., 2007). CALPUFF는 비정상상태 (Non-steady-state) 모델로 점·면 오염원에 대한 시간적인 농도 변화 계산이 가능하고, 오염원으로부터 수십 m~수백 km까지 모델링, 1시간~1년까지의 평균화 시간에 대한 농도 예측, 거칠고 복잡한 지형 상황에 대한 모델링이 가능하다. CALPUFF 모델링 시스템은 기상관측자료 및 중규모 기상모델의 수행 결과를 처리하는 CALMET과 오염물질 확산과 농도를 계산하는 CALPUFF, 후처리 프로그램인 CALPOST로 구성되어있다. CALMET 모델의 입력자료는 지형자료와 토지피복지도를 모델링에 적용하기 위한 전처리 작업 (TERREL, CTGPROC, MAKEGEO) 수행 결과 생성된 자료와 WRF (Weather Research and Forecasting) 모델과 같은 중규모 기상 모델의 수행결과를 처리하는 전처리 작업 (CALWRF)을 수행하여 생성된 자료로 구성되어 있다. 전처리 작업에서 생성된 자료를 이용하여 3차원 바람장을 생성하기 위한 CALMET을 수행하고, CALMET 모델링 결과 생성된 3차원 바람 및 온도장과 2차원의 혼합고, 지표특성, 확산특성은 배출입력자료와 함께 CALPUFF 모델링을 수행하게 된다. CALPOST는 CALPUFF 모델링 수행 결과 파일을 처리하기 위해 사용되며 지점별 또는 시간별 농도 등을 확인할 수 있다.

또 다른 대기확산모델인 HYSPLIT (HYbrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory) 모델은 NOAA/ARL (National Ocean and Atmospheric Admi-nistration/Air Resources Laboratory)에서 개발된 라그랑지안 입자확산모델로 라그랑지안 방법에 기초한 수송·확산 과정을 계산하여 (Kim and Song, 2003) 오염물질의 농도뿐만 아니라 오염물질의 전방향 및 역방향으로의 궤적 추적이 가능하다. HYSPLIT과 같은 라그랑지안 입자 확산 모델은 연속적으로 배출되는 가상적인 입자들의 위치를 계속적으로 결정하며, 어느 주어진 시간의 농도 계산은 분석 영역을 격자화하여 격자체적내에 들어있는 입자의 수로 계산이 된다 (NOAA, 2014). HYSPLIT은 하나 또는 여러 개의 배출원에서 배출된 입자의 확산과 침적과정 계산이 가능하며, 다른 대기확산모델과 비교해 볼 때 계산용량과 모델링 시간이 적게 소요된다는 장점이 있다 (An et al., 2015).

대상지역은 원전 4곳 (고리, 월성, 영광, 울진) 중 부산, 울산과 같은 대도시와 인접하여 원전재난에 대한 관심이 매우 높은 고리원전을 선택하였다. 고리원전은 대한민국 최초의 상업용 원자로로 2014년 기준 총 6기의 상업용 원자로가 가동 중이며 인근 지역에 신고리 3, 4호기가 건설 중에 있다. 원자로는 모두 가압 경수로 형이며 농축 ²³⁵U를 연료로 사용하고 있고 설비 용량은 500 kW급이다 (Korea Meteorological Administration (KMA), 2014)). 그림 1은 고리원전의 위치와 주변 지형을 제시한 것으로, 고리원전 (129.3°E, 35.3°N)은 부산광역시의 북쪽 기장읍 연안에 위치하고 있으며 동쪽으로 동해, 서쪽으로 양산 및 김해, 북쪽으로 울산광역시와 접해 있다. 고리원전 인근에는 복잡한 해안선과 함께 해발고도 500 m 내외의 구릉성 산지가 분포하며 고리원전에서 북서쪽 약 30 km 떨어진 곳에 태백산맥의 말단이 위치해 해발고도 약 500~1000 m의 고지대가 북동/남서방향으로 길게 형성되어 있다. 본 연구에서는 국지규모에서 방사성물질의 대기 중 이동 및 확산을 보기 위해 고리원전 중심 반경 50 km 영역을 대상지역 (100 km×100 km)으로 설정하였다.

Fig. 1. 
Configure of WRF domains. The left figure is enlarged details of the target areas of D4 and orange line indicate the atmospheric dispersion model domain boundaries. The inset figure in the left figure shows the location of Kori nuclear power plant (KNPP) ( ).

CALPUFF와 HYSPLIT의 기상입력자료를 생성하기 위해 3차원 기상모델인 WRF version 3.5 모델을 이용하였다. WRF 모델은 완전 압축성 비정수계 (fully compressible non-hydrostatic) 모델로 수평격자는 Arakawa-C 격자체계를 사용하며, 연직격자로는 오일러리안 질량좌표계를 사용한다 (Skamarock et al., 2008). 모델링 영역은 Nesting 기법을 이용하여 동아시아 영역의 첫 번째 도메인 (27 km 격자)에서부터 한반도를 포함하는 두 번째 도메인 (9 km 격자), 경남 영역을 포함하는 세 번째 도메인 (3 km 격자), 그리고 최종 분석도메인인 1 km 수평해상도의 고리원전 영역으로 구성하였다 (그림 1). 연직층은 총 43개 층으로 대기경계층 내에서의 공기괴의 연직적 흐름과 국지바람의 발달을 정확히 모의하기 위하여 대기하층 1 km 고도 이하 11개 층 (Sigma level=0.996, 0.990, 0.980, 0.970, 0.960, 0.950, 0.940, 0.930, 0.920, 0.910, 0.895)으로 조밀하게 구성하였다.

WRF 모델의 초기 및 경계조건은 NCEP (National Centers for Environmental Prediction)에서 제공하는 FNL (Final) 전구 재분석 자료와 SST (Sea Surface Temperature) 자료를 이용하였다. FNL자료는 6시간 간격 1.0°×1.0° 격자 해상도이며, SST자료는 일 간격 0.5°×0.5° 격자 해상도이다. 이와 함께 모델의 오차를 줄이기 위하여 객관분석기법인 OBSGRID 프로그램을 이용하여 자료동화를 수행하였다. 자료동화에 사용된 자료는 NCEP에서 제공하는 지상관측자료 (ds461.0)와 고층관측자료 (ds351.0)이다. WRF 모델의 물리옵션은 National Institute of Environmental Research (2014)를 참고하여 WRF Single-Moment 3-class (WSM3) (D1), WRF Double-Moment 6-class (WDM6) (D2~D4) microphysics scheme (Hong and Lim, 2006), Kain-Fritsch cumulus parameterization scheme (D1) (Kain, 2010), RRTMG long wave, RRTMG short wave scheme (Skamarock et al., 2008; Malwer et al., 1997), Yonsei University PBL scheme (Hong and Lim, 2006)으로 설정하였다.

WRF 모델링 기간은 2012년 5월 한 달을 포함한 35일 (2012년 4월 27일 00 UTC~6월 1일 00 UTC)이며 표 1은 WRF 모델링 결과와 고리원전 영역 (D4) 내 지역의 기상현상을 대표할 수 있는 곳에 위치한 ASOS 6개 지점과 AWS 22개 지점에서 관측된 기온, 풍속 자료를 비교한 IOA (Index Of Agreement), MBE (Mean Bias Error), RMSE (Root Mean Square Error), MAGE (Mean Absolute Gross Error)이다. 전반적으로 기온과 풍속 기상요소의 결과가 미국 EPA에서 제시하는 중규모 기상모델 평가 기준지표 범위에 포함되는 것을 확인할 수 있다 (U.S. EPA, 2007). 기온의 경우 모델계산 결과가 전반적으로 큰 차이 없이 관측치와 비교적 잘 일치함 (IOA: 0.93)을 보였고, MBE, RMSE가 각각 +0.19°C, +1.77°C로 계산되어 모델링 결과해석에 유의한 수준의 신뢰성을 나타내었다. 풍속의 경우 모델계산 결과가 전반적으로 약하게 과소평가되는 경향 (MBE: -0.30 ms^-1)을 보였으나, 유의한 오차수준과 일치도 (RMSE: +1.37 ms^-1, IOA: 0.67)를 가졌다. WRF 모델에서 계산된 기온, 바람 (u, v 성분), 지상기압, 대기경계층 (PBL) 고도, 혼합비 등은 CALPUFF와 HYSPLIT의 입력자료로 사용하였다.

CALPUFF와 HYSPLIT에 입력되는 배출량과 배출조건, 침적과정 옵션 정보는 표 2에 제시하였다. 본 논문의 목적인 CALPUFF와 HYSPLIT 특성에 따른 모델링 결과 차이를 확인하기 위해 배출조건과 모델 내 선택 가능한 파라메터는 최대한 동일하게 설정하였다. CALPUFF와 HYSPLIT은 입자상 방사성물질인 ¹³⁷Cs에 대하여 6시간 (0900~1500 LST) 동안 일정하게 배출되도록 모델을 수행하여 1시간 간격의 지상 10 m 고도에서의 ¹³⁷Cs 농도를 비교분석하였다. 배출량은 1.0 ×107 Bqh^-1으로 가정하였고 HYSPLIT의 경우 6시간동안 1분에 1개씩 가상적인 입자를 계속 배출시켰다. ¹³⁷Cs의 공기 역학적 평균직경은 0.4 μm로 설정하였고, 침적과정은 선행연구 (Korsakissok et al., 2013; Stohl et al., 2012)를 참고하여 HYSPLIT의 경우 설정 가능한 파라메터로 입자 밀도를 1,900 kgm^-3, 건성침적속도를 0.002 ms^-1로 설정하였고, CALPUFF와 HYSPLIT 모두 공통적으로 구름 아래 세정 계수 (Below-cloud scavenging coefficient)는 5.0×10^-5 s^-1로 설정하고 나머지 요소에 대해 내정값을 적용하였다.

¹³⁷Cs의 가상적인 배출지점은 고리원전이 위치한 129.3°E, 35.3°N으로 설정하였고 모델링 영역은 고리원전을 중심으로 500 m 수평해상도의 200×200 격자로 구성하였다 (그림 1). 또한 고리원전 주변의 복잡한 해안선과 산악지형을 고려하기 위해 고해상도 환경부 EGIS (Environmental Geographic Information System) 중분류 토지피복지도와 SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) 3초 지형자료를 입력하여 지표면 상태와 지형정보를 상세하게 개선하였다.

CALPUFF와 HYSPLIT의 평균적인 ¹³⁷Cs 확산 특성을 분석하기 위하여 2012년 5월 한 달간의 모델링 결과를 바탕으로 고리원전 인근지역의 ¹³⁷Cs의 확산특성을 비교하였다. 그림 2는 ¹³⁷Cs이 배출되는 0900 LST부터 6시간 간격으로 CALPUFF와 HYSPLIT로 계산한 지표 부근 (10 m 고도) 시간별 한 달 평균 ¹³⁷Cs 농도장을 나타낸 것이다. 또한 ¹³⁷Cs의 공간분포를 결정짓는 주풍을 확인하기 위해 한 달 동안 WRF에서 계산된 시간당 격자별 바람벡터를 함께 나타내었다.

Fig. 2. 
Horizontal distributions of the one month mean ¹³⁷Cs concentrations (Bqm^-3) simulated in CALPUFF and HYSPLIT model at 0900 LST, 1500 LST, 2100 LST and 0300 LST of May 2012.

먼저 0900 LST를 살펴보면, CALPUFF와 HYSPLIT은 고리원전을 중심으로 북동/남서쪽으로 ¹³⁷Cs이 확산되었고, 고리원전 중심 약 6.1 km 내에서 CALPUFF는 1E-05~1E-04 Bqm^-3, HYSPLIT은 1E-03 Bqm^-3 이상의 ¹³⁷Cs 최고농도가 나타났다. 이후 1500 LST에는 남동풍이 주풍으로 나타났고 이로 인한 내륙으로의 공기괴 유입이 나타나 두 모델은 고리원전에서 남서~북서쪽/북~동쪽으로 넓게 ¹³⁷Cs이 확산되었다. CAL PUFF는 부산지역과 울산 연안을 포함한 해상에서 ¹³⁷Cs 최고농도 (1E-05~1E-04 Bqm^-3)가 나타났고, HYSPLIT은 고리원전에서 동북동쪽 17.6 km까지 최고농도 (1E-03 Bqm^-3 이상)가 나타났다. 이때 HYS PLIT에서 나타난 고리원전에서 남남서 방향으로 길게 확산된 ¹³⁷Cs과 고리원전 중심에서 나타난 고농도 ¹³⁷Cs은 1시간 전인 1400 LST에 계산된 CALPUFF 모델링 결과와 유사하였고 이에 HYSPLIT이 CALPUFF보다 ¹³⁷Cs 이동속도가 다소 느리게 나타나는 것을 확인하였다.

1900 LST부터 해풍에서 육풍으로 풍계전환이 나타나 2100 LST에는 연안에서 해상으로 향하는 육풍이 발달하였고, 내륙에는 풍속이 약하고 (평균풍속 1.1 ms^-1) 복잡한 지상풍계가 형성되었다. 그 결과, CALPUFF는 시간이 흐름에 따라 성장한 퍼프 크기와 지상풍계의 영향으로 내륙 전체를 포함한 넓은 영역에서 ¹³⁷Cs이 계산된 반면, HYSPLIT은 바람이 수렴하는 구간에서 입자들이 밀집하여 부산지역과 내륙 일부지역, 고리원전의 북동쪽 해상에서 ¹³⁷Cs이 계산되었다. CALPUFF는 부산과 양산, 김해지역에서 ¹³⁷Cs 최고농도 (5E-07~1E-06 Bqm^-3)가 나타났고, HYSPLIT은 내륙 일부 지역에서 산발적으로 ¹³⁷Cs 최고농도 (1E-04~ 5E-04 Bqm^-3)가 나타났다. 이후 0300 LST에는 육풍이 뚜렷이 나타나 바람이 수렴하는 구간이 감소하였고, 그 결과 CALPUFF는 대상영역 전반에서 ¹³⁷Cs이 계산된 반면, HYSPLIT은 2100 LST에 대상영역 내 위치한 입자들이 영역을 벗어나고 남은 소량의 입자들이 바람이 수렴하는 지역에 존재했다. CALPUFF는 울산과 양산, 부산 일부를 포함한 지역에서 ¹³⁷Cs 최고농도 (1E-07~5E-07 Bqm^-3)가 나타났고, HYSPLIT은 밀양과 경주 일부 지역에서 ¹³⁷Cs 최고농도 (1E-04~5E-04 Bqm^-3)가 나타났다.

그림 3은 0 Bqm^-3을 초과하는 격자에 대해 CALPUFF와 HYSPLIT의 ¹³⁷Cs 평균농도와 격자수 시계열 분포를 제시한 것이다. CALPUFF의 경우, 배출이 끝나는 1400 LST 이후 시간이 지날수록 평균농도는 감소하는 반면 0 Bqm^-3을 초과하는 ¹³⁷Cs이 계산된 격자수는 계속해서 증가하여 0700~0800 LST에는 모든 격자에서 0 Bqm^-3을 초과하였다. HYSPLIT은 0900 LST에 고리원전 인근의 약한 풍속으로 인해 좁은 영역에 입자가 밀집하여 최대 평균농도가 나타난 후 감소하였고, 격자수는 1500 LST까지 증가한 후 1600 LST부터 감소하였다. 전반적으로 ¹³⁷Cs 평균농도는 HYSPLIT이 10~400배 높게 모의한 반면, 격자수는 CALPUFF가 약 2~200배 많이 모의하였다. 전반적인 농도수준은 후쿠시마 원전사고를 대상으로 대기확산 모델링을 수행한 선행연구 (Srinivas et al., 2012; Stohl et al., 2012)와 비교하여 CALPUFF는 과소모의하는 경향이 나타난 반면, HYSPLIT은 유사하게 모의하였다. 이러한 결과는 CALPUFF의 경우 퍼프모델의 특성상 시간이 흐름에 따라 퍼프크기가 성장하고 HYSPLIT은 입자모델의 특성상 바람이 약하고 수렴하는 지역에 입자가 밀집하는 경향으로 CALPUFF는 HYSPLIT에 비해 낮은 농도의 넓은 확산분포를 계산한 반면, HYSPLIT은 고농도의 좁은 확산분포를 계산한 것으로 해석된다.

Fig. 3. 
Time series plot of simulated monthly average ¹³⁷Cs concentrations (Bqm^-3, left axis) for grid value calculated over 0 Bqm^-3 in both CALPUFF and HYSPLIT. The bar represents the number of grid (right axis) for grid value calculated over 0 Bqm^-3.

연안에 위치한 지리적 요인으로 인해 고리원전에서 빈번히 발생하는 해풍의 발생유무에 따라 해풍과 비해풍 사례일을 선정하여 동일한 기상조건에 따른 CALPUFF와 HYSPLIT의 방사성물질의 확산특성을 비교하였다. 해풍과 비해풍 사례일은 지상일기도와 WRF 모델링 결과 대상영역 내 일중 바람장 변화를 바탕으로 선정하였다. 먼저 해풍 사례일로는 2012년 5월 12일을 선정하였고, 비해풍 사례일로는 2012년 5월 2일을 선정하였다.

그림 4는 해풍 사례일 (2012년 5월 12일)의 WRF에서 계산된 바람벡터와 함께 CALPUFF와 HYSPLIT으로 계산한 지표 부근 (10 m 고도) 한 시간 평균 ¹³⁷Cs의 농도장을 나타낸 것이며, 그림 5는 0 Bqm^-3을 초과하는 격자에 대해 두 모델에서 계산된 ¹³⁷Cs 평균농도와 격자수 시계열 분포를 제시한 것이다. 해풍일의 경우, 일중 해륙풍 순환으로 인하여 ¹³⁷Cs이 24시간 동안 대상영역 내에 분포하였고 그 결과 한 달 평균 ¹³⁷Cs의 공간분포와 유사하게 나타난 반면, 시계열 분석 결과는 한 달 평균값과 다른 양상을 보였다. CALPUFF의 경우, 시간이 흐름에 따라 퍼프 크기가 성장함에 따라 격자수는 계속해서 증가하여 0300 LST부터는 모든 격자에서 ¹³⁷Cs이 계산되었고, ¹³⁷Cs의 평균농도는 전반적으로 계속해서 감소하였다. HYSPLIT의 경우, 격자수는 CALPUFF에 비해 약 6~500배 적게 계산되었고 시간분포는 1400 LST까지 격자수가 증가한 후 감소하였다. ¹³⁷Cs의 평균농도는 CALPUFF와 같이 배출이 시작되는 0900 LST 이후 감소한 후 해풍과 육풍의 풍계전환이 나타난 1900 LST부터 바람이 수렴하는 지역이 증가함에 따라 평균농도가 증가하였다. 이후 육풍이 뚜렷하게 나타남에 따라 다시 감소하는 시간분포를 보였다. 이러한 CALPUFF와 HYSPLIT의 농도분포와 수준의 차이는 3.1절에서 확인한 두 모델의 ¹³⁷Cs 확산 특성에서 알 수 있듯이 HYSPLIT은 바람변화에 따른 입자 이동이 민감하게 나타나 바람이 수렴되는 특정지역으로 입자들이 밀집됨에 따라 시간이 흐를수록 퍼프의 크기가 성장하여 넓은 확산분포를 계산하는 CALPUFF보다 좁은 농도장과 고농도가 계산된 결과로 보인다.

Fig. 4. 
Horizontal distributions of the one hour mean ¹³⁷Cs concentrations (Bqm^-3) simulated in CALPUFF and HYSPLIT model at 0900 LST, 1500 LST, 2100 LST and 0300 LST of 12 May 2012.

Fig. 5. 
Time series plot of simulated hourly average ¹³⁷Cs concentrations (Bqm^-3, left axis) for grid value calculated over 0 Bqm^-3 in both CALPUFF and HYSPLIT during the sea breeze day. The bar represents the number of grid (right axis) for grid value calculated over 0 Bqm^-3.

일중 다양한 풍계가 나타난 해풍 사례일과 비교하기 위해 풍속이 강하고 일중 영역 내 풍계 변화가 크게 나타나지 않은 사례를 비해풍 사례일 (2012년 5월 2일)로 선정하였고, CALPUFF와 HYSPLIT 모델링 결과를 비교하여 그림 6에 제시하였다. 또한 0 Bqm^-3을 초과하는 격자에 대해 두 모델에서 계산된 ¹³⁷Cs 평균농도와 격자수 시계열 분포를 그림 7에 나타내었다. 비해풍일의 경우, 강한 북서풍 (5 ms^-1 이상) 계열의 국지바람의 영향으로 ¹³⁷Cs 농도가 고리원전의 남서쪽 해상으로 빠르게 확산되었다. 그 결과, 배출 후 24시간 동안 ¹³⁷Cs 농도가 대상영역 내에서 계산된 해풍일과 달리 1600 LST부터 ¹³⁷Cs 농도가 분석도메인을 벗어나 계산되지 않았다. 특히 1200 LST와 1400 LST에서 나타난 미세한 풍향의 변화에 따라 HYSPLIT은 0900 LST에 비해 1400 LST에 오른쪽으로 ¹³⁷Cs 농도장이 이동한 반면, CALPUFF는 ¹³⁷Cs 확산분포의 시간변화가 나타나지 않았다. 시계열 분석 결과는 CALPUFF와 HYSPLIT의 평균농도가 정량적인 차이는 있으나 일변화가 유사하였고, ¹³⁷Cs이 계산된 격자수는 한 달 평균값, 해풍일 사례와 같이 CALPUFF가 HYSPLIT보다 높게 계산되었다. 전반적으로 CALPUFF와 HYSPLIT의 ¹³⁷Cs 확산분포는 유사하나 HYSPLIT이 미세한 바람변화에 따른 ¹³⁷Cs의 확산변화를 잘 모의하는 것을 확인하였다.

Fig. 6. 
Horizontal distributions of the one hour mean ¹³⁷Cs concentrations (Bqm^-3) simulated in CALPUFF and HYSPLIT model at 0900 LST, 1200 LST, 1400 LST of 2 May 2012.

Fig. 7. 
Time series plot of simulated hourly average ¹³⁷Cs concentrations (Bqm^-3, left axis) for grid value calculated over 0 Bqm^-3 in both CALPUFF and HYSPLIT during the non-sea breeze day. The bar represents the number of grid (right axis) for grid value calculated over 0 Bqm^-3.