（气象学专业论文）核污染长距离输送的数值模拟.pdf

( 浙江人学硕十学位论文核污染k 距离输送的数值模拟 中文摘要 自1 9 8 6 年4 月2 6 门前苏联切尔诺贝利事故后，许多凼家的环境科学研究机 构对长距离大气运输模式有了高度的重视。浙江秦山核电站地处人口密集、经济 发达的沿海地区，一旦发生核事故，其损失必定非常，眦重。冈此，研究适合秦山 核电站的核污染输送模式，并分析污染物的输送情况，对保护浙江天然的资源， 尽可能地减少核污染对浙江经济所造成的损失是非常有必要的。 本文首先根据切尔诺贝利事故源项资料及事故期间的气象资料，用 h y s p l i t4 模式，计算了该事故放射性物质释放造成的欧洲若干计算点的核素 地面空气浓度，预估了放射性烟云达到柏林的时间。通过模式计算值与若干监测 值对比，发现h y s p l i t4 模式能够有效模拟核污染的输送。 由于秦山核电站所在的杭州湾地区，其各季的低层风场不同。本文选取代表 秦山核电站所在地区典型气象条件的1 月、4 月、7 月和10 月，对核素1 37 c s 的 长距离输送进行模拟，统计计算核素7 c s 在各季的平均近地面浓度、地面总沉 降。分析发现，受环境风场影响，核素在冬半年的分布范围明显大于夏半年；且 核素移动路径在冬半年是南移的，而在夏半年则是北移的。地面总沉降量除夏季 外，均在1 2 小时后达最大值，后逐渐递减。地面总沉降量的空间演变特征与核 素近地面的平均浓度相似。 引入西风指数，对各季的环流形势进行分类，并分析了各季各种环流形势下， 核素7 c s 平均近地面浓度、地面总沉降。研究发现，各季占主导地位的环流形 势下，核素乃7 c s 在大气中传播时的演变规律与各季的平均情况相似。而非主导 型环流形势下，则与各季平均情况有明显不同。 因夏季是气象灾害影响浙江概率最大的时期，本文分别以梅雨天气、台风天 气作为气象环境场，研究核素在大气中传播时的演变规律。模拟发现，核素1 37 c s 在梅雨天气下释放时，污染区随时间向西南方向扩散，而浓度最大区随时间向西 北方向扩散。核素浓度经初始阶段的明显递减后，呈振荡性变化。地面总沉降在 开始阶段递减迅速，而在其后阶段递减缓慢。台风天气下，核素1 3 7 c s 的影响范 围较小，且移动路径跟台风路径相近。核素浓度在开始阶段递减迅速，中问阶段 少变，其后阶段递减缓慢。地面总沉降在开始阶段递减较快，后以1 0 的一次方 逐个时刻递减。 关键词：核污染，数值模拟，h y s p l i t _ 4 模式，近地面浓度，地由i 总沉降，移 动路径 英文摘要 s i n c et h ec h e m o b l ya c c i d e n th a p p e n e di na p r i l2 6 t h 19 8 6i nf i o n n e rs o v i e t r u s s i a al o to fe n v i r o n m e n ts c i e n c er e s e a r c hi n s t i t u t e sp a yh i g h l y a t t e n t i o nt o a t m o s p h e r i cd i s p e r s i o nm o d e l s q i n s h a nn u c l e a rp o w e r s t a t l o nl o c a t e s1 nc o s t a lr e g l o n w i t hd e n s ep o p u l a t i o na n dd e v e l o p e de c o n o m y ，s ot h en u c l e a ra c c i d e n tw i l lr e s u l ti n s e r i o u s1 0 s s t h ed i s p e r s i o nm o d e lw h i c hi sn tf o rq i n s h a nn u c l e a rp o w e rs t a t i o nl s s t u d i e da n dt h ed i s p e r s i o no fn u c l e a rp o l l u t a n ti sa n a l y z e d ，w h i c hi so fg r e a tn e c e s s “y t or e d u c et h el o s sr e s u l t e df r o mt h en u c l e a ra c c i d e n t b a s e do nt h ed a t ao fs o u r c et e mf o rc h e m o b l ya c c i d e n ta n dw e a t h e rd a t ad u r i n g t h ea c c i d e n tp e r i o d ，u s i n gh y s p l i t4m o d e l ，t h es u r f a c ea i rc o n c e n t r a t i o nn u c l i d e s c a u s e db vr a d i a “o ns u b s t a n c eo fa c c i d e n tr a l e a s ei ne u r o p ea r e ai sc a l c u l a t e da n dt h e t i m eo fr a d i a t i o np l u m er e a c h i n gb e r l i ni sp r e d i c t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tc a l c u l a t e d r e s u l t sa c c o r dw i t hm o n i t o r i n gd a t aa ts e v e r a lc a l c u l a t i n gp o i n t so fe u r o p ea r e a ，a n d t h ev a l i d a t i o no fh y s p l l l _ _ 4m o d e li se v a l u a t e d q i n s h a nn u c l e a rp o w e rs t a t i o nl o c a t e si nh a n g z h o ub a 弘w h e r ew i n df i e l d so n l o wl e v e l si ne v e r ys e a s o na r ed i f 瓷r e n t s e l e c t i n gj a n u a r y 、a p r i l 、j u l ”o c t o b e rw h i c h a r er e p r e s e n t a t i v ew e a t h e rc o n d i t i o n si nh a n g z h o ub a 弘t h el o n g r a n g et r a n s p o n a t l o n o f 13 7 c s i sm o d e l e d ，a n dt h ea v e r a g es u m c e 13 7 c s c o n c e n t r a t i o n 、s u m c e 13 7 c s d e p o s i t i o ni ne v e r ys e a s o na r ec a l c u l a t e d t h er e s u l t ss h o w ：d u et od i f r e r e n tw i n d f i e l d s t h ed i s t r i b u t i o ne x t e n s i o no fn u c l i d ei n f o n n e rh a l fy e a ri so b v i o u s l ys m a l l e r t h a ni no t h e rh a l fy e a r t h em o v i n gr o u t ei nf o m e rh a l fy e a ri sn o n h w a r d ，w h i l ei n o t h e rh a l fy e a ri ss o u t h w a r d e x c e p tf o rs u m m e r ，s u r f a c ed e p o s i t i o n sr e a c hm a x i m 哪 a r e r12h o u r s ，t h e nd e g r e s sg r a d u a l l y 1 ng e n e r a l ，m es p a t i a le v o l v e m e n to fs u r f a c e 1 3 7 c sd e p o s i t i o ni ss i m i l a rt ot h es u r f a c e 1 37 c s c o n c e n t r a t i o n a c c o r d i n gt ow e s t w i n di n d e x ，t h ec i r c u m n u e n c e sa r es o r t e d ，t h es u r f a c e 1 j7c s c o n c e n t r a t i o n sa n dt h es u r f a c e 13 7 c sd e p o s i t i o n sw i t h d i f r e r e n tc i r c u m j f l u e n c e sa r e a n a l v z e d t h er e s u l t ss h o w ：w h e nt h en u c l i d e 1 j7 c s d i s p e r s e si nt h ea t m o s p h e r e ，t h e e v o l v e m e n tm l ew i t ht h ed o m i n a n tc i r c u m n u e n c ei ss i m i l a rt ot h ea v e r a g e ；w h i l ew i t h o m e rc i r c u m n u e n c e s i ti sd i f f e r e n t i ns u m m e r ，w e a t h e rd i s a s t e ra f r e c t sz h e ji a n gp r o v i n c ef k q u e n t l y ，s ou s i n g m e i y u 、t y p h o o nw e a t h e rd a t a ，t h ee v o l u t i o nr u l eo ft h ed i s p e r s i o n o fn u c l i d ei n a t m o s p h e r ei ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o w ： w h e nn u c l i d e7 c sr e l e a s e si nm e i y u w e a t h e r c o n t a m i n a t e da r e ad i f r u s e ss o u t h w e s t w a r d ，t h ea r e aw h e r et h ec o n c e n t r a t l o n i sm a x i m a ld i f 如s e sn o r t h w e s t w a r d n u c l i d ec o n c e n t r a t i o nr e d u c e so b v i o u s l yi nt h e r e d u c e sr a p i d l y ，t h e nr e d u c e s 伊a d u a l l y k 叫w 。r d s ：n u c i e a rp o l l u t a n t ，n u m e c “s i m u l a t i 。n ，h y s p l l t _ j m o d e l ，s u r f a c e c o n c e n t r a t i o n ，s u r f a c ed e p o s “i o n ，击o v i n g r o u t e 浙江大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙江大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：红只 期：生：鉴乡 浙江大学学位论文使用授权声明 浙江大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容 和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以 公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权浙江大学研究 生部办理。 研究生签名：孽垄萎导师签名： 肾 日期：丝兰 浙江人学硕j ：学位论文核污染长距离输送的数值模拟 1 1 研究背景 第一章绪论 随着传统化石能源的同渐紧缺，核能的利用显得越来越重要。但与之伴随 的环境问题，即核事故发生时的核污染也同渐突出。随着几起影响重大的核反 应堆事故，例如1 9 5 7 年英国的温茨凯尔反应堆事故，1 9 7 9 年美国三里岛核电 站反应堆事故，特别是1 9 8 6 年前苏联切尔诺贝利核电站事故，使人们清楚地认 识到核应急计划和核应急准备的必要性。许多国家如美国、日本、法国等根据 自己的条件，建立了一系列的核应急决策支持系统。我国在针对具体厂址开发 适用的后果评价系统的同时，积极引进欧共体的核应急决策支持系统r o d o s 3 o 版本，进行“本地化 的开发。 应急响应的有效性与干预时问的选择密切相关。如果在任何放射性释放到 环境之前，或任何放射性到达某给定位置或区域之前，预防措施( 或干预行动) 能够充分实施，则能实现完全的避免剂量。在所有的情况下，启动和实施干预 的速度，通常是确保减轻事故后果的最重要因素。事故后果评价是干预的重要 依据，事故发生后，即时地预报中小尺度的风场( 提供污染物输送和扩散) ，确 切地描述放射性烟云特征( 预测烟云的轨迹和散布) 和进行剂量估算( 烟云造 成的辐射后果的范围和程度) 是迫在眉睫的应急工作。因此，核事故应急响应 行动对数值天气预报的时效性要求越来越高。为及时地估算核污染事件对环境 和人类健康所造成的影响，从而做出应急措施，有必要发展一些适合于核污染 的模式，模拟核事故释放的污染物在空气中的运输，沉降等。 1 2 问题的提出 浙江省位于中国东南沿海、长三角洲南翼，属亚热带季风气候，四季分明， 光照充足，具有丰富的矿产、生物、水、旅游等资源。这些优越的地理环境和 丰富的自然资源已成为浙江经济发展不可缺少的组成部分。近年来，浙江的经 济迅速发展，各种生产对能源的需求日渐增加。省内位于杭州湾的秦山核电站 在全省的电力生产中，已占有举足轻重的地位。这个核电站地处人口密集、经 济发达的沿海地区，一旦发生核事故，其损失必定非常严重。因此，研究适合 浙江秦l “核电站的核污染输送模式，并分析污染物的输送情况，对保护浙江天 然的资源，尽可能地减少核污染对浙江经济所造成的损失是非常有必要的。 近年来，针对秦山地区的实际地形和气象条件，研究了一些用以反映当地 复杂的大气扩散过程和特性的模式。如粒子一烟团模式，该模式是在模拟大气 浙江入学硕l 学位论文核污染艮趴离输送的数值模拟 扩散的粒子随机游走方法中引入类似于扩散烟团的核函数概念，用以反映单个 随机游走粒子所代表的污染物质的空问影响范围。模式解决了随机游走粒子与 核函数“烟团”耦合后反映扩散物理真实过程的一致性问题。模式结果在1 0k m 的范围内总体合理，但在近源处有系统偏小。另外，对分段烟雨模型和烟团模 型在复杂流场下的适用性进行比较，并考虑秦l ij 核电站的厂址地形比较复杂， 建议我国在核事故应急决策支持系统中，采用呵变轨迹的烟团模型较好。 由于重大的突发性核泄漏紧急灾害事件具有爆发性、空间分布不连续性、 对周边地形和气象条件的敏感性的特点，研究核事故所释放的物质的时空分布 需要高度精确的技术，其精确性直接影响长距离输送的结果。目前，我国正根 据国内核电站的具体厂址条件，研究比较各种核污染模式的性能，找出使用性 较强的模式，为我们的核应急决策支持系统提供技术支持。 1 3 本文的主要内容 本文的研究目的旨在研究适合秦山核电站的核污染输送模式，分析发生核 泄漏事故时，释放出的放射性物质在大气中传播时的浓度演变、移动路径和沉 降等规律特性。 本文首先根据切尔诺贝利事故源项资料及事故期间的气象资料，用 h y s p l i t4 模式( 混合单粒子拉格朗f 1 积分轨迹模式) ，计算了该事故放射性 物质释放造成的欧洲若干计算点的核素地面空气浓度，预估了放射性烟云达到 柏林的时间。通过模式计算值与若干监测值对比，发现所选用的模式、参数与 假设基本合理。由此可见，h y s p l i t4 模式能够有效模拟核污染的输送。 浙江秦山核电站处在杭州湾喇叭口，受不同天气系统及地形影响，杭州湾 地区不同季节所形成的风场是不同的。夏季东风频率明显高于东南风频率，冬 季西北风频率最高，但随着冷高压入海，位于西南侧的东风也较明显。虽然杭 州湾地区属于海岸带地形，但凶地势平坦，受系统风控制较强，故局地环流很 少产生，各季节天气和风场的特征有所不同。本文根据秦山核电站所处的地理 位置和其地区不同季节的环境风场，统计计算1 9 9 2 年至2 0 0 1 年，春、夏、秋、 冬各季的平均浓度、地面沉降，分析秦山核电站在各季发生核泄漏事故时，放 射性物质在大气中传播时的演变情况。 由于各季环境风场主要受天气系统的影响，而大气环流( 全球范围的大尺 度大气运行的基本状况，水平尺度在几千公里以上，垂直尺度在1 0 公里以上， 时间尺度在1 2 日内) 是各种尺度的天气系统发生、发展和移动的背景条件。 因此，探讨不同大气运行状况下，核素1 37 c s 的浓度演变和地面总沉降规律的特 点与各季平均情况的异同，为核应急决策支持系统提供进一步的参考。 2 浙江人学砒学位论文 核污染长距离输送的数值模拟 浙江位于我国东部沿海，处于欧亚人陆与西北太平洋的过渡地带，该地带 属典型的业热带季风气候区。受东亚季风影响，浙江冬夏盛行风向有显著变化， 降水有明显的季节变化。由于浙江位于中、低纬度的沿海过渡地带，加之地形 起伏较大，同时受西风带和东风带天气系统的双重影响，各种气象灾害频繁发 生，是我国受台风、暴雨、干旱、寒潮、大风、冰雹、冻害、龙卷风等灾害影 响最严重地区之一。本文选取l9 9 6 年8 月l 同的台风个例和l9 9 9 年6 月中下 旬的梅雨个例，假设秦山核电站在这种灾害性天气下发生核泄漏，研究放射性 物质在大气中传播时的浓度演变、移动路径和沉降规律等。 3 浙i 【人学坝i j 学位论文核污染长距离输送的数值模拟 第二章文献综述 引。言 各种各样的生产过程都需要消耗能源。能源不仅是生产过程的原动力，而 且与人类同常生活越来越密切地联系在一起。传统的化石能源，是古代生物遗 体长期与氧隔离的地质条件下形成的。这些有限的资源，经不起现代工业的巨 大消耗。第四次中东战争以后，由于石油危机引起的世界性经济危机，显示了 以石油为主要能源的现代经济的脆弱性。同时，与化石能源利用密切相关的环 境问题，己成为国际关注的焦点。目前虽然有许多可利用的清沽能源，但大多 数相对末歹i ：发，或还没有完全被利用。 核电已成为一种比煤电更加清洁、经济的：i ：业能源。其发电成本低于煤和 石油、运输压力小的特点，本身是一种节省费用的体现。核的发电成本比煤电 低1 5 5 0 ，如一座百万千瓦级压力堆核电站，每年仅需补充3 0 吨核燃料， 其中仪消耗1 吨左右的u 2 3 5 ，其余尚可回收利用。而同等规模的燃煤电站每年 消耗原煤约3 0 0 万吨，平均每天需要3 列4 0 节车厢的列车运煤。因此，核电站 可大大缓解紧张的运输状况。核电站的主要问题是一次性投资大、建设周期长。 但从长远看，经济上是十分合算的。如印度曾利用国际贷款建核电站，从上个 世纪9 0 年代起，其出售核电的收入每年都超过1 0 亿美元，这一世纪可收回全 部投资。 另外，核能在其它方面的应用也带来了一定的经济效益，如1 ) 核能在医 学领域的应用目前，世界上核医学消耗的放射性核素，占放射性核素总产量 的5 0 以上。主要进行某些机理和病因的研究、功能测定、脏器显象和放射性 分析、示踪法等诊断疾病以及使用放射性核素对某些疾病予以治疗。核能在医 学上的一个重要应用领域是医疗用品的辐射消毒。其与传统的消毒方法比，具 有节约能源、费用低等特点，具有一定的经济性。2 ) 低温核供热利用核能进 行城市的供热供暖是核能利用的一个新途径。在我国，供热耗能约为发电耗能 的3 倍多，几乎占商品能源的三分之二。我国煤和石油的供应日趋紧张，运输 问题也十分突出，燃烧又污染环境。而低温核供热堆具有设备简单、投资少、 污染小、成本低( 比锅炉供热低3 0 ) 等优点。 从上面我们可以看到，核能与常规能源相比，具有种种优势。自第一座核 电站投入使用以来，目前全世界4 0 0 多座核电站提供的电力己占全球发电总量 的17 。这砦核电站基本都在安全运转，随着运行管理的不断强化、改进，核 电站的安全性还会进一步提高。其发生，限莺事故的概率，美国核管会的反应 堆研究估计是1 7 万堆年发q ：一次( 沃兹尼业克，1 9 9 1 ) ，且世界能源组织已 浙江大学硕l j 学位论文核污染k 研i 离输送的数值模拟 经认可核能的安全性。但历史e 的核事故( 见下表2 1 ) 给世人留下的阴影不仅 是放射性污染的问题，更多的是关于核安全的问题。 表2 一l 历史上重火的核事故 1 9 8 6 年4 月2 6 日，切尔诺贝利核电站4 号机组起火爆炸，8 吨多的强辐射 物泄漏，31 人当场死亡，造成迄今最严重的核电核安全事故。这次事故，从堆 芯逸出的放射性物质估计为9 2 5 1 0 1 7 1 8 5 1 0 博b q ( i a e a ，1 9 9 1 ) ，其中约 3 7 1 0 1 7 b q 碘和7 4 1 0 b q 铯。释放过程持续了1 0 天，到5 月6 日才使之突 然降到“约第一天释放量的1 ”( u sn r c ，1 9 8 7 ) 。由于当时低空风弱而多变， 1 5 0 0 m 高空为8 1 0 m s 的东南风，污染物只有沉积在西北部的白俄罗斯和俄罗 斯与乌克兰部分地区，即所谓“乌克兰闯祸，白俄罗斯受害”。高空风将污染物 吹往芬兰、瑞典。后又刮北风，放射性物质又被带到欧洲南部。据估计，中、 北欧有超过三百万人受核辐射，2 1 万人因此而死亡；在乌克兰，过去的十年， 儿章患癌症的比率迅速增长：乌克兰经济损失总额达一千三百亿美元。还有许 5 浙江大学坝i j 学位论文核污染长距离输送的数值模拟 多人患了放射性疾病( 沃兹尼亚克，1 9 9 1 ) 。由于这次粤 故造成的环境后果非常 严重，促使核事故后果评价技术得以大大发展，且使得许多国家环境科学研究 机构对长距离运输模式有了高度的重视。 2 1 核应急决策支持系统的介绍 核事故应急系统是在核事故发生后能及时预报中尺度范围内核泄漏的污染 路径、强度和范围的模式系统，为核事故指挥部门采取应急措施时提供决策依 据。这里中尺度范围的水平尺度约为2 0 k m 至2 0 0 l 锄，时间尺度约为几小时至 十几小时；预报内容包括风温场和核泄漏物的浓度分布，预报时效为2 0 至3 0 分钟。应急响应的有效性与干预时间的选择密切相关。如果在任何放射性释放 到环境之前，或任何放射性到达某给定位置或区域之前，预防措施( 或干预行 动) 能够充分实施，则能实现完全的避免剂量。在所有的情况下，启动和实施 干预的速度，通常是确保减轻事故后果的最重要因素。事故后果评价是干预的 重要依据，事故发生后，即时地预报中小尺度的j x l 场( 提供污染物输送和扩散) ， 确切地描述放射性烟云特征( 预测烟云的轨迹和散布) 和进行剂量估算( 烟云 造成的辐射后果的范围和程度) 是迫在眉睫的应急工作。因此，核事故应急响 应行动对数值天气预报的时效性要求越来越高。 i a e a 提出核应急计划的总体目的( 夏益华，2 0 0 1 ) 为：1 ) 从源上降低放 射事故的风险，或缓解事故后果；2 ) 防止严重的确定性健康效应( 如死亡) ；3 ) 尽可能合理地减少随机性健康效应( 如癌症) 。目前已经有一些国家如美国、日 本、德国、英围等开发出了自己的核事故场外应急决策支持系统。现介绍几个 典型的核应急管理系统： 2 1 1r o d o s ( r e a l t i m eo n l i n ed e c i s i o ns u p p o r t ) 2 1 1 1 系统简介 r o d o s 系统( 国际放射防护委员会，1 9 9 0 ) 是在欧共体委员会和德国环 境部支持下= 7 = 发的场外应急实时在线决策支持系统，几十个研究所( 包括东欧 的一些研究所) 参加了当前版本的开发。r o d o s 是一个集成的综合的决策支 持系统工具，其适用范围从时间上可以从事故早期直至发生释放后很多年；空 间上可从厂址附近直至很远的地方，甚至不受国界的限制。其软件框架中可很 方便地集成外部程序模型和数掘库；可按本地条件( 特别是相应的气象和辐射 监测网条件、地理和经济结构、不同电站类型和事故条件) 改制r o d o s 。另 外，r o d o s 可用于不同层次的用户，满足实际发牛的事故的应急需要，也能 6 浙江人学硕l ：学位论文核污染长距离输送的数值模拟 满足培训和演习的需要。 2 1 1 2r o d o s 特征和设计 r o d o s 系统已设计为一个综合系统，集成了评价模型和数据库，能在考 虑防护措施效果的情况下提供及评价所有距离的辐射后果；其灵活的程序编码 可处理不同厂址和源项特征的差异、监测数据数量和质量的差异、国家法规和 应急计划的差异等。 r o d o s 系统分4 步提供决策支持：第l 步：获取和检查放射性数据及其 描述，连同地理和人口数据直接提供给决策者，或仪作最少的分析；第2 步： 基于源项、监测数据、气象数据和模型，分析预测当前和将来的放射性情景( 即 不采取防护措施的情况下放射性的时空分布) ；第3 步：对可能的防护措施( 例 如隐蔽、撤离、发放碘片、避迁、去污和食物禁止) 进行模拟，特别足确定其 可行性和代价利益的定量化；第4 步：对可选的防护措施对策，权衡其代价利 益( 例如费用、可避免剂量、心理压力缓解、社会上和政治上的可接受性) ，并 考虑决策者的偏好进行评价和排序。大多数决策支持系统只提供到第l 步或第 2 步的决策支持，有一些扩展到第3 步甚至第4 步，但一般在防护措施及代价 利益方面缺乏全面考虑，r o d o s 是唯一能对所有可行的防护措施提供到第4 步决策支持的系统。 数据库 j 一一 一 一 蕈 a s y 操作 了系统 u s 、 ， 品，七 】采lf c s y 对策 子系统子系统 e s y 评价 l 王垂堡i 毒 通讯界面 毒 图1 1r o d o s 的框架结构 r o d o s 框架分成操作子系统( o p e r a t i o ns u b s y s t e m 简称o s y ) 、分析子系 统( a n a l y z i n gs u b s y s t e m 简称a s y ) 、对策子系统( c o u n t e r m e a s u r es u b s y s t e m 简 称c s y ) 和评价子系统( e v a l u a t i o ns u b s v s t e m 简称e s y ) ，所有程序模型之间 的联系、数据输入、传输与交换、结果显示、运行的交互模式与自动模式等， 都由基于u n i x 的操作系统o s y 控制。r o d o s 与用户之间的对话通过不同的 用户界面实现。不同用户组的界面是不同的，r o d o s 的权限也不同。如用于 培训课程和应急管理时，访问级别最低，只需最易懂的非常有限的界面即可； 7 浙江入学硕j j 学位论文核污染k 距离输送的数值模拟 而对熟悉系统内容和结构的系统开发员，可作最高级别的访f u j ，可得到伞套界 面工具。r o d o s 的框架结构见图1 1 。 2 1 2w s p e e d i 2 1 2 1 系统简介 w s p e e d i 的前身是s p e e d l ( s y s t e mf o r p r e d i c t i o no fe n v i r o n m e n t a l e m e r g e n c yd o s ei n f o m a t i o n ) ，s p e e d l ( 李开继，1 9 9 5 ) 是同本原子能研究所 自美国三里岛核事故后开发的、计算机化的应急剂量预测系统。w s p e e d i 在 s p e e d l 已有功能基础上扩展了应用范闱，可以响应不同地域尺度的放射性释 放事故，比如可以预测日本国外发生的核事故对日本造成的放射性影响。 w s p e e d l 发展了( 或正在发展) 三个新功能：1 ) 天气流体力学模型以预报详 细的气象条件；2 ) 通过耦合监测数据和大气扩散模型进行源项估计；3 ) 发展 了一个国际数据通讯网原型，在应急情况下交换大气扩散模型数据和环境数据。 w s p e e d i 的响应范围是很广的，对日本幽内发生的事故，响应范围分为“本 地”和“地区 ( 2 5 1 0 0 l 锄) ，对国外事故则可到几千公里或半球尺度。发生 在世界上任何地点的放射性释放事故原则一卜都能由w s p e e d i 处理。 w s p e e d i 中包含三维大气扩散模型，还有各种支持功能，如数据获取网络、 数据库、图形用户界面和输出图形软件等。输入数据分成两种类型：一种是与 时间相关的，如气象数据和释放特征数据，从数据获取网络和键盘实时输入； 另一种是不随时间而变的数据，如地理数据、场址数据、核素的物理常数等， 直接从数据库提取。系统用图形用户界面运行，把输入工作减至最少，以便快 速反应。用模型预测的风场、气载放射性物质浓度、沉降水平、外照射剂量、 内照射剂量等数据，以风矢量形式或等值线图、三维分布图等显示并叠加在电 子地图上。 整套大气模型包含3 个子模型：对国内事故为流体静力学气象预报 p h y s i c ，质量守恒风场w n d 2 1 和拉格朗日扩散模型p r w d a 2 1 ；对国外事故 则用质量守恒风场模型w s y n o p ，拉格朗日扩散模型g e r a n ，大范围风场预 报完全依赖j m a 的全球气象预报( g s m ) 。亚洲地区核电站在不断增加，中韩 同的放射性烟云有时会在一两天内到达邻国，有必要改进w s p e e d l 的天气预 报功能。现在w s p e e d l 对困外事故是用质量守恒风场模型和粒子随机游走模 型，其缺点是根据粗糙的全球预报数据对大气边界层和降雨作简单初始化。所 以要改进p h y s i c 以扩展天气预报功能，并在p h y s i c 中引进云的牛成及降水 过程的预报方程。 8 浙江人学硕1 j 学位论文核污染长距离输送的数值模拟 2 1 2 2w s p e e d i 主要特征 从前发生的实际事故表明，在事故的早期阶段，我们几乎不能得到释放特 征数据，因此，w s p e e d i 的一个重要任务是根据监测数据和预测数据估计释放 条件。为此，发展了一种新的系统功能：利用监测数据和大气模型估计源项， 即估计释放点、释放时刻和释放强度等。尽管传统的源项估计方法基于倒轨迹 模型，w s p e e d i 的源项估计功能源于大气传输模拟、空气剂量率空气浓度预 测及监测的统计分析。 考虑的源项参数是以下4 个特征量：1 ) 释放点；2 ) 释放起始时刻；3 ) 释 放持续时间；4 ) 每小时释放量。w s p e e d i 能用图形用户界面在短时间内组合 4 种参数形成很多组源项，用并行计算机同时计算模拟大气传输，然后将所有 模拟预测值与观测值比较，用两个程序n m s e 和p c c 作统计分析以找出预测 与监测符合最好的源项组合。 当所有源项参数都不知道时，源项估计分两步进行：第一步，对几个可能 的释放点和释放开始时刻，假定单位释放量持续6 小时，进行大气传输模拟， 由随后的统计分析严格确定一个释放点；第二步，选择几种释放开始时刻和持 续时间的组合，从已确定的释放点发生单位释放帚释放，再进行模拟。用1 9 9 4 年1 0 月2 3 日e t e x 第一套数据测试了源项估计功能，估计值与实际值符合得 很好，表明此功能能实际发挥作用。用带1 5 个c p u 的矢量并行计算机进行计 算，总的源项估计处理时间约为4 小时，适于长距离事故后果分析。 2 13 a r a c ( a t m o s p h e r i cr e l c a s ea d v i s o r yc a p a b m 时) 2 1 3 1a r a c 系统简介 a r a c 由美国l l n l ( 劳伦斯利弗莫尔困立试验所) 建立，是模型、计算 机、数据库、通讯以及致力于以及后果分析和大气危害物释放预测的高技能工 作人员的混合系统( d e n n i s ，1 9 7 8 ) 。a r a c 系统安装在美国加州劳伦斯一利弗 莫尔国家实验室，其运行由美国能源部和国防部资助，目的是为应急向应人员 和负责放射性释放或其它危害物释放的管理者提供下风向实时后果评价。此项 服务可用于美国政府关心的任何时f h j 和地点。2 6 年来，a r a c 为1 6 0 多个潜在 的和实际的事件以及重大的演习进行了后果评价，其中包括1 9 7 9 年3 月的三里 岛事故以及1 9 8 6 年4 月的切尔诺贝利事故。对非放射性释放，如化学释放甚至 火山灰释放也进行了评价。它有能力为1 0 0 个厂址提供应急响应服务，能够同 时执行3 个应急设施评价任务，能在接到用户通知后的1 5 分钟之内给出初步的 估算结果，4 5 分钟之内给出完整的计算结果。 浙江人学砒学位论文核污染长距离输送的数值模拟 2 1 3 2a r a c 模型 传统的a r a c 诊断风场和扩散模型在水甲方向和垂直方向都采用均匀网格 分辨率，用台阶式的“块”描述地形；在新系统巾，则用连续地形取代了台阶 式地形。网格结构采用随地形变化的举标系统，还包含在水平方向和垂直方向 改变网格分辨率的选项，这不仅使模型更接近真实，也消除了台阶式地形给风 场与扩散的数值化带来的问题，与大气预报模型的连续地形相匹配。 至于扩散模型，以前用的a d p i c 是混合高斯和梯度扩散模型，现在则改进 为一种新的拉格朗r 粒子传输和扩散模型：l o d i ，新模型对扩散过程采用 m o n t e c a r l o 方法和随机位移方法r d m 进行模拟。r d m 扩散完全是网元独立的， 消除了梯度扩散法与网格精度相关的缺点。 诊断风场模型a d a p t 有一个改进的功能是能同化从多种途径得到的气象 数据，不但可增加风场的分辨率，还可通过一种新的基于有限元的质量守恒调 整方法改进矢量风场完整性。 预报风场改编集成了美国海军的预报模型c o a m p s ，分辨率为l 2 0 l 锄， 近期目标是能迅速产生世界各地详细的区域性大气流场随时间的变化，以用于 应急响应评价；较远的目标是还要产生可以影响危害物传输和沉降的云场和雨 场。 现在的方针是以实时方式采用预报模式产生4 8 h 有限地区预报，分辨率为 1 5 l 锄或更小一点。气象场数据每2 4 h 更新一次，作为网格数据用于诊断模型， 其目标是进行初始预报应急响应计算。为了加速预报过程，正积极寻找方法， 通过执行多进程技术及改进模型编码来提高计算效率、减少计算时间。 在新的a r a c 系统中扩散模型有两种驱动方式：一是直接由预报网格驱动， 一是绕过预报网格由诊断风场模型驱动。诊断模型既吸收c o a m p s 的区域网格 数据，也吸收了本地观测数据，通过适当整合二者并对连续地形进行质量调整， 产生高分辨率的风场。 2 1 3 3 支持的软件和数据库 a r a c 3 系统提供了很多应急响应新功能，利用了很多计算机新技术。大 气扩散模型是a r a c 的主干，软件系统环境也很重要。整个支持软件包括模型 参数、模型执行框架、自动过程、数据获取和通讯过程、数据库接口和文件结 构、可视化工具等，在a r a c 3 系统中都有改进。新系统采用u n i x 操作系统 以保证可移植性，采用n e t c d f 数据格式以保证满足标准数据协议。 与应急响应相火的大量信息的存储方式是a r a c 3 系统的巾心部分，数据 获取和通讯部分包括从外部来源获得数据以及与a r a c 远程站点进行通讯。 浙江火学硕f ：学位论文核污染k 距离输送的数值模拟 a r a c 系统能模拟世界范围内任何尺度的事故。在世界范 嗣内应用时，其 模型被认为是通用的和精确的，常被列为大气扩散模型的顶层。但模型还应综 合专家意见和科学经验加以增补改进。大气扩散问题的多变性、复杂性及数据 来源限制是所有模型系统的难题，因此，a r a c 系统有经验老到的大气科学家 指导模型运行以取得最佳结果。a r a c 新系统采用了几个近年发展并成熟的软 件技术，如“对象”和“浏览器”技术，使得可以用最小的代价实现对系统大 范围的访问和接口。高质量的地理数据现在也广泛可用。这样，a i 认c 提供了 很多初始化的基本数据，支持复杂的、高分辨率的大气传输和扩散模型，给出 高度接近真实的评价。针对实际事故十分和示踪实验的验证性计算证明了这些 模型的优异性能。 2 1 4 我国核应急决策支持系统 可将我国开发的应急响应期问事故后果评价决策支持系统软件分成两代。 我国最早两个核电厂( 广东大亚湾核电站和浙江秦山核电厂) 申请装料许可证 时开发的后果评价软件，可作为第一代的代表，是2 0 世纪8 0 年代末和9 0 年代 初开发的。由于当时的投入有限，计算机计算速度较慢等原因，采用了较为简 单的模式，如大气弥散采用高斯炯羽或拉格朗日烟团模式，虽然也通过了核安 全审管部门的审评，但从今天看技术水平较低，现已基本不再使用。广东省核 管办组织开发的场外后果评价系统和秦山地区核事故环境后果评价软件系统， 可作为第二代的代表。以商用地理信息系统( g l s ) 为平台，开发了风场预报模 式，大气弥散采用三维蒙特卡罗( 简称蒙卡) 粒子模式，剂量模块包括有预期 剂量、可防止剂量的计算。这两套软件系统是在1 9 9 7 2 0 0 1 年期间开发的，已 经投入使用，用户较为满意( 曲静原等，2 0 0 2 ；王醒宇等，2 0 0 2 ；田钢，2 0 0 2 ； 徐东武等，2 0 0 2 ) 。 在国内针对具体厂址开发适用的后果评价系统的同时，国家核应急主管部 门积极引进欧共体的核应急决策支持系统r o d o s 3 o 版本( 张永兴，2 0 0 2 ) 。 目前正在广东大亚湾核电站进行“本地化”的二次丌发工作( 傅国辉，2 0 0 2 ) 。 香港针对广东核电站可能的事故影响，于2 0 0 1 年开发了新一代的事故后果评价 系统( a c a s 2 ) ( 林学贤，2 0 0 2 ) 。去年，江苏田湾核电站的场外后果评价系统 开发项目也已经开始，其技术路线与上述已投入使用的两套后果评价软件系统 相类似，采用商用g i s ，针对f f i 湾厂址进行丌发( 姚仁太，2 0 0 2 ) 这些工作也 属第二代的开发工作，一并列入表2 2 第二代中。凶此，从丌发的技术路线， 可分为如下二类：( 1 ) 针对具体厂址的自主开发针对具体厂址的地形、气象特 征进行模式自主丌发和参数选取。其优点足：1 ) 有针对性( 针对某一具体厂址) ， 模式、参数经过验证，准确度女f ：2 ) 系统简单，采用微机，开发资源节省；3 ) 浙江人学硕上学位论文核污染长距离输送的数值模拟 参数经过验汪，准确度好；4 ) 容易实现汉化；5 ) 采用商用g l s ，提供的地理 信息较为丰富；6 ) 具有自主知识产权。在自主开发中，有很多运用的模式在国 际上是比较成熟的、通用的，有一些计算机模块甚至可从网络上下载，这表明 自主开发中同时有引进。( 2 ) 具有一般指导意义的和实现本地化的引进丌发这 表2 2 国内核事故后果评价决策系统软件开发状况 用户开发单何特点现状 广 场内( 人亚湾核电站)苏州热t 所自：卜什发；简单高斯模式在用 东 场外( 广东省核锋委) 第 场内( 秦山核电基地)中国辐射防 自l i 开发：诊断风场；拉格朗几弥散；预期剂鼍 已不用 浙护研究院+ 江北大 场外( 浙汀省核管委) 江 场内( 田湾核电站) 苏 场外( 江苏省应急办) 代 香香港天文台 港 国 场外( 国家应急办) 家 场内( 大亚湾核电站) 清华+ 南京 r o d o s 本地化；见“国家”栏但无决策分析开发中 广 人学 东 场外( 广东省核管委)清华+ 人气自主开发：野外人气试验+ 水槽试验；统计琐报分析场：t使l 玎中 第物理所+ 北维蒙卡数值弥散；食物链模式：商用g j s ；预期剂量和可防 大j p 剂量 场内( 秦核电摹地)清华+ 北人自主扦发；结合秦山气象、地形；实时诊断和琐报风场：三使用中 浙 维蒙卡数值弥散：食物链模式：商用g l s