核事故应急气载放射性物质扩散的精细化模拟方法研究

乔清党，李 冰，岳会国，姚仁太，盛 黎，王韶伟，*

（1．环境保护部核与辐射安全中心，北京 100082；2．中国辐射防护研究院，太原 030006；3．国家气象中心，北京 100081）

2011 年3月的日本福岛核电厂事故［1］、2013年2月的朝鲜第三次核试验［2］，使得人们对于核事故、核试验情况下气载放射性物质对环境和公众的辐射后果的关注度越来越高。我国及周边国家和地区的许多核设施一旦发生核事故，则会对我国的环境和公众造成辐射危害。表1给出了我国（不含我国台湾地区）及周边国家的主要核电机组数量（截止到2014年1月）。

核应急是核安全纵深防御体系的最后一道屏障，是有效处置核与辐射突发事件，减缓事件后果，保障公共安全的重要举措。核与辐射事故后果评价系统是核应急响应过程中决策的重要技术支持手段，要不断增加事故后果评价手段、强化事故分析手段［3］。放射性污染实时预测与评价因其对突发事件的快速响应而得到高度重视，已经成为各国应对核事故及核恐怖事件的重要技术手段之一。美国的NARAC、欧共体的RODOS都是多尺度范围放射性后果评价与决策技术支持软件系统，均具有精确预测本国及其周边国家及地区不同位置核与辐射事故的中小尺度后果评价功能。中小尺度后果评价软件在核应急中的作用如图1所示。

表1 我国及周边国家主要核电机组数量Table 1 Numbers of nuclear power units in China and neighboring countries

图1 中小尺度后果评价软件在核应急中的作用Fig.1 Role of mesoscale consequence assessment software in nuclear emergency

通过十多年的研究与开发，目前，我国已经开发了多个用于核事故应急决策的放射性后果评价系统［4］，但发展速度和技术水平与国外相比还存在一定的差距。李宗明在《从日本福岛核事故审视核安全的政府、法律和监管框架》一文中曾指出，“就核安全监管的技术力量而言，在核安全理念的深入了解、专业覆盖面、分析和计算程序、质量保证、事故诊断和处理的判定、应急响应能力等方向需要提高的空间很多”［5］。在精细预报我国和周边国家（地区）不同位置的核与辐射事故气载释放造成的后果影响，特别是核与辐射事故后果的回顾性评价研究方面，目前尚缺乏相应的软件系统，难以快速、准确地做出精细化预报和评价。

本文拟建的具有预报和回顾性评价功能的精细化核事故气载放射性物质扩散的数值模拟软件的研发方法是对我国现有核事故后果评价软件的补充，可实现对预报结果精度的分析，有效应对核与辐射突发事件的各种复杂景象，提升应对我国及邻近地区核与辐射事故的应急响应能力。

1 国内外研究现状及进展

1.1 国外研究现状

在核事故后果评价系统应用和发展方面，如美国ARAC/NARAC系统、欧共体RODOS系统、日本SPEEDI/WSPEEDI等国际先进的核事故后果评价与决策支持系统，都非常关注中小尺度风场预报、复杂景象大气扩散数值模拟技术的发展。随着计算机和计算理论的发展，数值模式正在向全球化、精细化发展，以适应多尺度、多目的应用的要求。这些系统的结构和功能不尽相同，但其共同特点是将中尺度气象预报模式、风场诊断模式和拉格朗日或欧拉类大气扩散模式集于一体，根据源项信息、在线气象数据、地形地理以及剂量数据库等，及时完成计算区域内任意位置放射性物质释放的扩散和剂量的精细计算，并可利用地理信息系统（GIS）动态显示计算结果和相关的应急响应信息。

在中小尺度核事故后果评价方面，ARAC/NARAC系统、RODOS系统、SPEEDI/WSPEEDI系统采用的主要模式见表2。

NARAC系统［4，5］由一套相互关联的气象和扩散模式构成。气象预报模式包括美国国家大气研究中心/国家环境预报中心（NCAR/NCEP）等联合开发的新一代中尺度预报模式和同化系统WRF模式［6］，以及美国海军舰队数值气象和海洋中心（FNMOC）的耦合海洋/大气中尺度预报系统COAMPS模式。风场诊断模式采用质量守恒模式ADAPT。大气扩散采用Lagrangian随机粒子扩散模式LODI。

表2 用于中小尺度后果评价的主要模式Table 2 Models of mesoscale consequence assessment

RODOS系统［7］的气象预报模式ADREA是一个非静力动力学风场模式。风场诊断模式应用质量守恒模式MCF和线性流动模式LINCOM。大气扩散模式为具有辐射剂量计算功能的Lagrangian烟团模型RIMPUFF和分段烟羽扩散模型ATSTEP。

日本SPEEDI/WSPEEDI系统［8］采用的气象预报模式PHYSIC是一个流体静力学气象预报模式。在风场诊断和大气扩散模式方面，对日本国内和国外核事故分别应用不同的模式，风场诊断为质量守恒模式WIND21（国内）和WSYNOP（国外）；大气扩散模式为Lagrangian扩散模型PRWDA21（国内）和GERAN（国外）。

近年来数值预报进入了一个高速发展时期，随着精细化要素预报在天气预报业务中重要性的提升，高分辨率、高时效性的区域中尺度数值预报产品越来越受到关注。在精细化数值预报方面，各国都在积极研发高分辨率数值预报模式。中尺度数值预报系统的尺度分辨率已延伸至公里级。目前，一些发达国家的中尺度气象预报模式系统已经进入实时应用。其中，美国在该领域研发了多个模式，并在国际上得到广泛应用，最具代表性的是WRF模式，该模式的尺度分辨率为1 ～ 10 km。WRF模式采用高度模块化、并行化和分层的设计技术，集成了迄今为止在中尺度方面最新的研究成果，模式中包括辐射过程、边界层参数化过程、对流参数化过程、次网格湍流扩散过程以及微物理过程等，是一个完全可压的非静力模式。另外，还有美国宾州大学/国家大气研究中心（PSU/NCAR）联合开发的中尺度数值预报模式第五代产品MM5模式，美国科罗拉多州立大学（CSU）等研发的区域大气模拟系统RAMS模式等。

1.2 国内研究进展

在我国，经过二十多年的发展，总体上可将开发的核事故后果评价系统分成两代。20世纪90年代初中国辐射防护研究院为秦山核电厂开发的后果评价系统可作为第一代的代表，没有气象预报模式，大气弥散采用高斯烟羽或拉格朗日烟团等较为简单的模式。21世纪初开发的田湾核电厂核事故场外后果评价系统及其随后的升级版本可作为第二代的代表，其标志之一是RODOS系统的引进与开发。

将中尺度气象预报模式、风场诊断模式和拉格朗日类轨迹大气扩散模式（M-C模式、Lagrangian烟团模式）集于一体的技术路线已经成为我国核事故后果评价软件系统的发展趋势。但是，与国外的中小尺度后果评价软件相比，由于这些软件开发的出发点基本都是针对某个固定的核设施，因此，不能预测模拟范围内任意位置发生的核与辐射事故后果。

气象预报模式大多是对美国的MM5模式、RAMS模式和WRF等模式的引进吸收与自主研发相结合的技术路线。国家气象中心作为我国的数值气象预报中心，承担着国家级数值天气预报科研及相关系统的业务运行、维护和改进工作。我国的国家级区域中尺度数值预报系统经过多年的发展，从20世纪90年代的LAFS模式、HLAFS模式，直到2004年业务运行的GRAPES区域中尺度模式，逐步从引进吸收与自主研发并重转入了自主研发、持续发展的新格局。

总体上，与国外的中小尺度后果评价软件相比，虽然在区域气象数值模式、大气扩散模式等方面有了一定的基础，但是，由于软件基本都是针对某个固定的核设施而开发的，目前尚缺乏精细预测我国和周边国家及地区不同位置发生的核与辐射事故后果的软件系统，不能满足核事故应急响应的实际需求。

2 软件研发的总体方案

采用成熟物理模型、移植、二次开发以及自主开发相结合的技术路线，针对我国和周边国家及地区的地形和气候特征，开发精细化核与辐射突发事件后果评价软件系统。该系统以服务器、PC机为硬件平台，主系统设计为一个基于三维GIS的，连接多子系统、多种模型和数据库的综合系统，用以预测、评价和动态显示我国和周边国家及地区不同位置的辐射影响后果。软件研发的技术路线如图2所示，总体框架如图3所示。

图2 软件研发的技术路线图Fig.2 Technology program of the software development

图3 软件的总体框架图Fig.3 General framework of the software

3 物理模块的建立

3.1 中尺度气象预报模式

（1）中尺度数值天气预报模式GRAPES-MESO［9-13］

GRAPES-MESO是国家气象中心在借鉴国际上先进的通用模式的基础上，自主研发的新一代中尺度气象预报模式，经过近十年的运行、评估和完善，已实现业务化应用，未来将成为我国在该领域的主流模式。其预报产品具有分辨率高、时效快、预报精度高等特点。

GRAPES-MESO模式采用三重嵌套，第一重嵌套区域覆盖整个中国及附近海域，水平分辨率为27l km；第二重区域覆盖华北大部分地区，水平分辨率为9 km；第三重区域覆盖北京地区，水平分辨率为3 km。

GRAPES-MESO自2004年5月开始在国家气象中心业务试运行，2006年7月作为中国气象局的业务系统投入运行，并于同年8月初正式将GRAPES-30 km的产品下发到全国各级气象台站。2007年国家气象中心根据实际业务需要，以及运行效果评估报告对GRAPES-MESO模式进行完善改进，并将其水平分辨率由原来的30 km升级为15 km。针对系统业务化运行中存在的问题，2009年再次对系统进行了升级改进。2010年3月新版本模式正式业务化，新版本模式对温度场、风场和降水的改进效果比较显著。

（2）GRAPES-MESO模式适用性研究

针对拟研发软件的适用区域（ E60～150°、N5 ～ 55°），根据我国和周边国家及地区的地形和气候特征，通过选取不同地区模式物理参数化方案（如积云对流参数化方案、边界层参数化方案、陆面过程等）和敏感性实验方法，开展气象预报模式在不同区域的适用性研究，提高GRAPESMESO模式对不同区域的模拟能力（尤其是对风场和降水的预报）。

（3）数据预处理和后处理程序接口

针对拟研发软件的预报和回顾性评价两大功能，开发支持多背景场的气象数据接口。针对美国NCEP-GFS全球预报数据，国家气象中心的T639全球预报数据以及美国NCEP-FNL全球再分析数据等，开发相应的GRAPES-MESO预处理程序；针对以气象预报模拟结果作为输入的风场诊断模型，开发相应的GRAPES-MESO后处理程序。

（4）GRAPES-MESO模式运行流程

首先，模式标准初始化系统对GFS/T639以及静态资料等进行预处理，为模式运行提供背景场和侧边界条件；然后利用以动力框架和物理过程参数化为主的模式系统进行积分预报，最后得到图形产品。其运行流程如图4所示。

图4 GRAPES-MESO模式运行流程Fig.4 Operational procedure of GRAPES-MESO

3.2 风场诊断模式

由气象预报模式生成的分辨率较粗的风场信息，经过气象预报模式与风场诊断模式的接口模块，作为下一步风场诊断模式的输入资料，最终生成分辨率较细的风场资料。气象预报模式运行结束后，将调用风场诊断模式。图5给出了风场诊断模式的流程。拟基于CALMET气象模式进行风场诊断模式移植与二次开发。

图5 风场诊断模式流程Fig.5 Procedure of wind field diagnostic model

CALMET气象模式［14］是美国国家环保局（USEPA）长期支持开发的法规导则模型——三维非稳态拉格朗日扩散模式系统CALPUFF中的核心模块之一。CALMET由风场诊断模式和边界层模式构成。其风场诊断分两步进行，第一步是风场初始化，即利用气象预报数据内插外推出初始风场。第二步是调整初始风场，使其符合质量守恒（即运动的连续性）条件的约束，同时使调整后的风场与初始风场的总体偏差为最小。

当模拟区域很大时，可以用兰伯特圆锥投影坐标系统来校正地球的曲率。诊断风场的计算内容包括斜坡流、地形运动学矫正、地形阻挡效应和差异最小化拟合。经过以上计算获得三维风场。

3.3 非稳态、多源拉格朗日烟团模式（LPM）

大气扩散模型采用非稳态、多源拉格朗日烟团模型（LPM），该模型是在丹麦Riso实验室开发的RIMPUFF模式［15］的基础上进行移植与二次开发合并完成的，该模型能够很好地处理非静态和非均匀的气象条件，考虑复杂地形上风切变的影响，模型的核心是对烟团的平流、扩散和沉积采用局地气象数据进行模拟，并能在一定程度上处理复杂地形下烟流的分裂，可以应用于平坦的或不十分复杂的地形条件。

在本软件的研发过程中，拟根据核电厂事故特点以及日本福岛事故的经验，对模式在可模拟的释放情景、灵活性等方面做较大的改进，以有效应用于复杂情景下的后果评价和回顾性评价。改进后的LPM模式主要特点如下：

（1）可响应我国和周边国家及地区不同位置的气载放射性物质释放。

（2）可同时响应多源事故释放情形。

（3）可处理不均匀（非稳态）释放源项。

（4）事故后果评价的模拟时间可变，只要在可利用的气象数据（包括实测、预报数据）许可范围内即可。

（5）还可利用不同的气象数据开展多种源项特征下的后果评价，以适应不同情形下的响应：①利用气象预报数据，适合预测事故后果；②利用再分析数据，适合事故后开展回顾性评价；③通过预留实测气象数据的接口，提高计算精度。

3.4 剂量估算模式

根据放射性核素扩散浓度分布的模拟结果，计算出事故情况下气载放射性物质在不同时刻可能引起的环境潜在辐射剂量水平。辐射剂量包括烟云浸没外照射剂量、地面沉积外照射剂量和烟云吸入内照射剂量。在剂量估算模式中考虑气载放射性物质迁移扩散过程中的干、湿沉积，源项损耗等因素。为使软件适应不同事故情形下的气载放射性物质释放，模式中考虑的放射性核素包括核爆、核设施突发事件可能产生的核素。

4 展望

快速、准确地预测发生在我国及邻近地区不同位置的核与辐射事故后果，是及时制定保护我国公众和环境的应急对策、适时采取减轻核事故后果的防护行动的重要依据。因此，研发精细化核事故气载放射性物质扩散的数值模拟软件，是核事故应急决策中不可或缺的技术手段。

本文针对拟建的精细化核事故应急气载放射性物质扩散的数值模拟软件，给出了软件研发的技术路线、主要物理模块的建立方法等，为软件的顺利研发奠定了坚实的技术基础。结合核与辐射应急响应工作的实际需求，在未来的工作中，还需在以下方面开展深入的研究：

拟建软件具有预报和回顾性评价两大功能，如何利用回顾性评价结果，提高预报结果的精度，进而提高软件的整体性能。

目前拟建软件的适用区域主要是我国及邻近地区。为进一步提高我国应对全球其他国家及地区的核应急响应能力，需逐步地、持续地扩展软件的适用范围。

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