两处滨海核电拟选址站历史水温特征分析及全球变暖背景下水温预估

谭晶，陈幸荣，张志华

(国家海洋环境预报中心，北京100081)

1 引言

人类赖以生存的地球正在超负荷运行。不仅人口在增长，而且社会发展对能源的需求正以惊人的速度增长。而靠大量燃烧石化燃料获得能源的同时，也给现代社会带来了许多难以解决的灾难性问题。例如能量资源短缺，大量燃烧化石燃料、森林过度砍伐等给生态环境造成严重的损害，大气、水系、土壤污染日益严重，二氧化碳增多导致的温室效应使极端气候事件频发。在保护和改善环境的前提下开发利用新兴能源，是人类生存和社会发展的必然趋势。20 世纪30年代，随着对原子核研究的深入，人类发现了原子核内蕴藏着巨大的可开发的能量，并开始和平利用原子能的研究。经过半个多世纪的努力，迄今世界上已有30 多个国家建造核电站440 多座，发电量占全球的18%[1-4]。与火电相比，核电是廉价、洁净、安全的能源。随着将来受控热核聚变的成功，核能必然成为未来的能源支柱。

最终热阱主要指接受核电厂所排出余热的水体[5]。由于核电厂的热效率比火电厂低，因此核电厂冷却水量应比同样容量的火电厂大，通常是火电厂冷却用水的6倍。一般核电厂均建在有充分水源的江、河、湖、海边。但是，由于全球变暖，使得全球水温进一步升高，必将增大核电站运营的安全风险，同时降低核电站的效率，据报道，2003—2009年的夏季，欧洲和美国的多个内陆核电厂均出现了因为缺少冷却水而被迫停运的状况。据预测，因为冷却水的缺乏，2030—2060年核电和火力发电能力将在美国下降4%—16%、在欧洲下降6%—19%[6]。由于海洋的巨大热容量，核电站选址放在海边是应对气候变暖有效的、重要的策略[7]。随着我国核电站建设步伐的加快，为适应众多核电厂址不同水源和气象条件下建厂，解决重要厂用水系统设计条件的问题，针对电厂所在区域水体历史温度进行统计分析以及对电厂服役的未来几十年间水体温度可能的变化范围进行预估是建设核电厂前期一项重要的调研和论证环节，通过这些分析为核电站最终热阱设计提供重要的参数。

本文通过对滨海拟选核电选站厂址历史水温的累积频率和频率分析，得到过去几十年选址站的水温变化情况，并通过CCSM3气候模式预估电站服役期间由于全球变暖所引起的厂址处的水体温度可能的变化值，为核电站最终热阱设计提供依据。

2 核电站最终热阱水源水温特征分析

2.1 核电站最终热阱水源地的选取

本研究拟选两处滨海核电厂址，分别为广东乌屿和广西防城港，其中广东乌屿的最终热阱水源地为广东省揭阳市惠来县南海海门湾，因为该处没有常规的水温观测，但是距离该厂址最近的国家级测站是云澳海洋站，两处相距很近，且处在相近的气候环境条件之中，因此可用云澳海洋站水温代表海门湾处水温。另一处滨海核电厂址广西防城港的最终热阱水源地为广西防城港光坡镇南海北部湾，距离该厂址最近的海洋观测站是防城港海洋站，也同样因为两处处于相似的气候环境条件之中，因此可用防城港海洋站水温代表核电厂址处水温。

2.2 核电选址站水温累积频率的计算

某气象要素值小于或大于某一数值的可靠程度，也称保证率，通常以某气象要素在长时期内小于或大于某一数值的累积频率来表示[8]。常用分组法计算保证率，首先将气象要素值分为几组，统计各组出现的次数，计算各组出现的频率，然后将各组的频率依次累加，其累积频率就是保证率。随机变量各个不同的值x1，x2，…，xi，…，xp的频率，按随机变量取值大小顺序累加起来所得到的频率和，即它可以综合反映随机变量小于（或大于）某一个数值时的出现频率。

将两个滨海核电站的1999—2008年夏季6、7、8月的逐日最高水温进行频率和累积频率计算（鉴于核电站安全性的考虑，采用从高温到低温的向下累积），每个测站可能有几天缺测资料，实际计算时就按已有资料来统计（如表1，云澳站总共为918天，缺测2 天）。以0.5℃为间隔进行样本的分组，如云澳站的逐日最高水温分布范围为22.0℃—31.5℃，以0.5℃为间隔，可以把所有的样本分为19组，这样可以算出每一组样本占总样本的频率百分比，进而可以统计出累积频率的百分比（见表1）。

根据表1 统计的结果，可以画出云澳站1999—2008年6、7、8月逐日最高水温的累积频率曲线，如图1 所示，根据曲线就可以得出根据具体工程需要的任意累积频率所对应的最高水温范围。

表1 云澳站1999—2008年6、7、8月逐日最高水温分组统计及每一组占总样本的频率和累积频率

图1 云澳站1999—2008年6、7、8月逐日最高水温累积频率曲线

图2 防城港站1999—2008年6、7、8月逐日最高水温累积频率曲线

按照同样的统计方法，可以得到防城港站的1999—2008年6、7、8月逐日最高水温的分组统计及每一组占总样本的频率和累积频率，见表2，根据表2可以画出防城港站的累积频率曲线图（见图2）。

按照核电站工程建设的要求，一般统计累积频率1%、2%和10%所对应的水温范围，根据图1 和图2，可以得出两站1%、2%、10%累积频率的水温范围（见表3）。

表2 防城港站1999—2008年6、7、8月逐日最高水温分组统计及每一组占总样本的频率和累积频率

表3 云澳站和防城港站1%、2%、10%累积频率的水温范围

2.3 频率1%、2%及10%的水温计算

以上是对拟选的两处滨海核电站1999—2008年最热季节（6、7、8月）逐日最高水温进行累积频率分析的结果。实际工程中，出于安全性的考虑，还常常需要对选址站水源地历史上出现的比较极端的高水温进行考察，此分析常采用频率（重现期）分析法[9-10]，本研究采用皮尔逊Ⅲ型方法[11-13]，对历史观测资料进行频率分析，计算频率为1%、2%和10%的水温（即百年一遇、五十年一遇和十年一遇水温）。

2.3.1 皮尔逊Ⅲ型方法简介

皮尔逊Ⅲ型密度函数为：

式（1）中，Г（α）是α的伽玛函数，α、β、v0是参数；,

式（2-3）中，s为均方差（或称标准差），n为资料序列的长度，为平均温度，vi为序列中第i年的最高温度。

根据Cv、Cs计算出各种概率下的最大温度计算值，点绘在概率格纸上，依次连接各点，划出一条光滑的曲线，就可以由曲线得到频率分别为1%、2%及10%（即百年一遇、五十年一遇和十年一遇）的水温值。

2.3.2 计算结果

由于进行频率分析要求资料的长度足够长，防城港站只有10年的资料，用来做频率分析不符合规范要求，而目前只有云澳站有30年水温资料，因此这里只对云澳站做频率（重现期）分析。取该站的最热季节（6、7、8月）日平均水温数据，得到1979—2008年每年的水温极大值，见表4。然后依据已经建立的极大值序列，采用皮尔逊Ⅲ型方法计算频率分别为1%、2%及10%（即百年一遇、50年一遇及10年一遇）时的温度值，为合理选定设计值提供参考。

表4 云澳站历年水温极大值（单位/℃）

图3 云澳海洋站水温皮尔逊Ⅲ型方法频率（重现期）图（图中圆圈为实测值）

再使用前述的皮尔逊Ⅲ型方法计算出相应的频率曲线（见图3），由该频率曲线可以读出1 %、2 %以及10 %（即百年一遇、五十年一遇和十年一遇）各频率对应的水温值。

根据皮尔逊Ⅲ型方法计算结果：云澳海洋站频率1 %、2 %和10 %水温分别为30.8℃、30.6℃和30.0℃，见表5。

表5 云澳海洋站水温皮尔逊Ⅲ型方法计算结果

3 未来60年拟选核电厂址地水源水温变化情况预估

3.1 CCSM3模式模拟性能验证

使用CCSM3 模式进行核电站厂址地水源水温未来变化情况预估之前，需要对该模式的模拟性能进行验证。本研究使用CCSM3 模式来做不同CO2排放情形下1870—2000年间的后报试验。一种假设情形是CO2保持1870年排放水平不变，另一种是CO2按照观测的排放水平来进行模拟，最后将模拟的全球海温平均和观测海温数据进行对比。图4中黑线为CO2保持1870年水平强迫模式的结果，可以看到，在CO2保持相对低水平的情况下，全球海温130年来基本没有明显变暖；红线为以观测CO2浓度强迫模式模拟结果，对比观测数据（图中绿线，数据来自英国HadISST 中心）可以发现，130年模拟海温增长趋势与观测结果是一致的，增长幅度约0.5 ℃，也与观测相符。模拟平均海温比观测值略低0.3—0.4 ℃，这是目前海气耦合模式普遍存在的问题，并不影响对温度变化趋势的研究。

图4 不同CO2排放情形下模拟和实测全球平均海温对比

图5 广东乌屿海表温度距平随时间变化

表6 2001—2070年，RP01，RP02情形下广东乌屿夏季（6、7、8月）海表温度的增幅（单位/℃)

在模拟试验的基础上，从2001年1月开始，进行CO2浓度分别以每年1%、2%的增长速度进行70年的预估试验。CO2浓度以每年1%速度增长（下文将该试验以RP01 代表），意味着2070年CO2浓度将比2000年的水平翻一番，这是一种比较可能实现的情况；每年2%增长率情形下（下文以RP02 代表），则将会在2070年比2000年CO2浓度翻两番，这是一种比较极端的情况。

最后统计2001年1月—2070年12月间最热季节（6、7、8月）水温在1999—2008年气候平均基础上增暖幅度。

CCSM3模式计算结果为规则网格数据格式，需要插值到各厂址地所在经纬度上。插值所需的格点范围如下：

广西防城港：110°—115°E，19°—23°N；

广东乌屿：112°—117°E，19°—23°N；

3.2 滨海核电厂址地水源温度变化预估

CCSM3模式中的海洋模块可以输出海表温度，将模式计算结果插值到滨海厂址经纬坐标上，即可直接分析不同CO2浓度增加情形下海温变化趋势。

3.2.1 滨海核电厂址——广东乌屿

图5 为广东乌屿2001年1月—2070年12月海表温度距平变化曲线。RP01和RP02试验结果分别以黑线和红线代表。

可以看出，随着二氧化碳排放的不断增加，未来几十年海温呈振荡增加的趋势，而且，CO2排放增加的越快，海温变暖的趋势也越明显。因此，CCSM3 气候系统模式的模拟结果与国际上气候变化领域关于温室气体导致全球变暖的主流观点是完全一致的。

以1999—2008年10年海温气候平均为基准，可以求出2001—2070年间海温的增长幅度。经计算在RP01 情形下，广东乌屿最热季节（6、7、8月），海温平均增长1.4℃，而在RP02情形下，海温将平均增长2.5℃。6、7、8各月具体情况见表6。

3.2.2 滨海核电厂址——广西防城港

广西防城港与广东乌屿的模拟结果比较接近，见图6。

同前述方法，经计算在RP01情形下，广西防城港最热季节（6、7、8月），海温平均增长1.4℃，而在RP02情形下，海温将平均增长2.4℃。6、7、8各月具体情况见表7。

图6 广西防城港海表温度距平随时间变化

表7 2001—2070年，RP01，RP02情形下广西防城港夏季（6、7、8月）海表温度的增幅（单位/℃）

4 结语

当前，水资源调查评价、建设项目水资源论证以及工程防洪影响评价工作日渐重要，通过对广东乌屿和广西防城港两处滨海拟选核电站的最终热阱水源历史水温的统计分析和未来水温预估，可以为核电站工程建设提供重要的输入依据，本研究结果已经提供给中国广东核电集团公司，为实际工程建设提供参考。

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