历次核试验进入海洋的137Cs对中国近海影响的模拟研究

赵昌，乔方利，王关锁，舒启，夏长水

（1.中国海洋大学海洋环境学院，山东青岛 266100；2.国家海洋局第一海洋研究所，山东青岛 266061）

历次核试验进入海洋的137Cs对中国近海影响的模拟研究

赵昌1，2，乔方利2*，王关锁2，舒启2，夏长水2

（1.中国海洋大学海洋环境学院，山东青岛 266100；2.国家海洋局第一海洋研究所，山东青岛 266061）

1945年以来，世界各主要核国家进行了数千次核试验，这些核试验产生的绝大部分放射性物质通过多种途径进入海洋，对海洋环境造成放射性污染。本文建立了一个准全球海洋的放射性物质输运和扩散数值模式，通过数值模拟手段评估了历史核试验释放的放射性物质137Cs对中国近海海洋环境的影响。本文借助前人工作评估了核试验释放137Cs进入海洋的途径和总量；通过比较模拟结果与观测资料，表明本文建立的放射性物质模式能够较好地模拟出137Cs在中国近海及其邻近海域的分布情况和随时间演变特征；模拟结果表明中国近海里的137Cs浓度在20世纪50年代中期达到最大，其中吕宋海峡海域137Cs浓度最高，达80.99 Bq／m3；进一步分析了2011年3月份日本福岛核事故前中国近海137Cs浓度分布状况，2011年整个中国近海137Cs浓度介于1.0～1.6 Bq／m3间，且其浓度垂向分布较均匀，相对封闭的南海浓度略高于其他海域。

核试验；放射性物质模式；137Cs；中国近海

1 引言

核试验（nuclear test）又被称为核试爆，是世界各个国家在预定条件和预定地点进行的核武器爆破试验。1945年以来，世界各国进行了约2 000次核试验，其中在大洋中部岛礁附近的核试验释放的放射性物质大部分会通过大气沉降直接进入海洋；而陆地上空的核试验释放的放射性物质会进入大气通道，进而沉降到陆地和海洋上，而沉降在陆地上的放射性物质会通过入海径流携带进入海洋，历次核试验造成大量的放射性物质长期留存在海洋中［1］。因此认识和研究这些放射性物质在海洋中的输运过程及其时空分布演变特征，对准确评估海洋环境核污染现状，合理开展海洋环境保护是十分必要的。

自20世纪50年代，核试验产生的放射性物质对海洋的影响就已开始引起人们的关注［2］，早期受研究手段限制，主要采用现场测量方法研究放射物质在海洋中的分布状况［2—8］。随着实际观测数据的积累，从20世纪80年代末核试验产生的放射性物质在海洋中的分布与运移开始成为研究热点［7—8］。21世纪初期日本气象研究所（Meteorological Research Institute in Japan，MRI）基于历史观测资料，建立了包括90Sr、137Cs和239，240Pu 3种放射性物质的海洋数据集HAM database version U［9］，HAM数据囊括了北太平洋和日本近海的放射性物质观测数据，Hirose等利用该数据分析了海洋表层放射性物质的空间分布特征及其随时间的演变过程［10］；针对全球海洋的放射性物质观测资料，Povinec等［11］建立了全球海洋放射性物质数据库（Global Marine Radioactivity Database，GLOMARD），分析了太平洋和印度洋表层放射性物质长期变化特征［12］。由于实际观测数据的不足，详实的刻画核试验释放的放射性物质在海洋中的分布存在困难，但是通过观测资料发现放射性物质在海洋环流的携带下，已经扩散到整个海洋［12］，对全球海洋环境已经造成影响。随着计算机技术的发展，海洋数值模式进入高速发展阶段。从20世纪90年代开始，数值手段被用来研究海洋中的放射性物质输运过程，取得了比较理想结果［13—14］。上述研究采用的数值模式存在水平分辨率不高，水动力模式与放射性物质模式分离等问题。

针对放射性物质对中国近海影响的研究较少，仅有少量观测研究［15—17］，缺少针对核试验释放的放射性物质在中国近海中的总体分布和变化特征等方面的研究。本文考虑海洋中放射性物质的输运扩散、海洋中悬浮物对放射性物质的吸附与沉降、放射性物质衰变等物理过程，结合准全球中等分辨率的海洋环流模式，建立了全球海洋放射性物质数值模式，分析了历次核试验释放的137Cs（主要核试验产物，半衰期30.17 a）对中国近海环境的影响。

2 数值模式和实验设计

2.1 海洋环流数值模式与放射性物质数值模式

本文基于普林斯顿海洋模式（POM）建立了一个准全球海洋环流数值模式［18—19］。环流模式的计算区域覆盖区域为环全球的75°S～65°N区域，水平分辨率为0.5°×0.5°，垂向为21σ层，在海洋的上层和底层采用较高垂向分辨率；模式的东西边界取连续性边界条件，南北边界取固壁边界条件；模式地形由Etopo5水深数据插值得到，最小水深取为10 m；初始温、盐场取自Levitus年平均温度和盐度，初始流速取零；采用水平分辨率为1°×1°的COADS月平均通量场作为海表驱动场进行20 a稳定积分。

Tsumune等2003年给出一个适用于深海的简化海洋放射性物质输运模型［20］，本文将该模型与环流模式结合建立了一个准全球的海洋放射性物质数值模式。放射性物质输运方程表达如下：

海洋中溶质放射性物质Cd（Bq／m3）在海水演变中的控制方程为

方程（1）中的ws表示悬浮物沉降速度，取值为ws＝100 m／d，有关悬浮物取值方法与依据均来自Marietta在1987年的数据报告［21］，其中悬浮物对于海水中的放射性物质作用相对于对流扩散和自身衰减是个小量，但海水中的放射性物质更易进入生物体，并且含有放射性物质的悬浮物沉降后会对所在区域的海洋造成长期影响；λ由放射性物质的半衰期导出。

2.2 实验设计

环流模式冷启动，采用的是COADS月平均作为驱动场稳定积分20 a，然后开始放射性物质输运扩散的数值模拟实验。采用NCEP风场作为驱动场，从美国第一次核试验的1945年开始放射性物质扩散数值实验，一直模拟到2011年3月日本福岛核泄漏之前，共得到67 a的模式结果。

核试验释放的137Cs主要通过3种途径进入海洋：（1）核试验释放进入大气的137Cs通过大气环流输运，直接沉降进入海洋；（2）水下核试验直接把放射性物质排入海洋；（3）沉降在陆地上的137Cs通过地表径流汇集间接进入海洋。其中第3种放射物进入的海洋途径漫长而复杂，本文所进行的数值实验不考虑这部分137Cs对海洋的影响。

世界各国核试验释放的137Cs进入海洋的总量和其进入海洋方式很难确定，前人通过不同的方法对其进行了探讨［13－14，22］。本文采用Nakano等人的方法，全球大气沉降数据依据UNSCEAR报告中的90Sr数据导出［22］。UNSCEAR的报告中认为90Sr与137Cs比率为1.52［23］，UNSCEAR报告提供了每次核试验的规模和沉降在试验区域及进入大气的90Sr的总量；针对美国在马绍尔群岛的Bikini和Enewetak环礁核试验，该报告不仅给出核试验规模，而且给出其释放的90Sr总量。1986年切尔诺贝利核事故造成大量的137Cs进入海洋，但其总量没有统一的结果。本文数值实验假设1986年后没有137Cs进入海洋。依据上述方法，估计通过大气沉降途径进入海洋的137Cs总量是684 PBq，马绍尔群岛地区核试验进入海洋的137Cs总量是176 PBq，而切尔诺贝利核事故进入海洋的137Cs采用一个较为保守的估计量15 PBq（图1）。

1996年美国能源部通过全球观测手段给出了90Sr沉降到海洋的空间分布［24］（图2），本文认为137Cs的初始沉降分布与90Sr的分布相同。对于在马绍尔群岛处的美国核试验区，进入大气和直接进入海洋的137Cs（包括水下试验直接排入和在试验场附近直接沉降）应该分开考虑，被大气输运至远处的137Cs在全球沉降中已经包括，事实上考虑试验场附近进入海洋的137Cs方式应该考虑在进行核试验时的气象要素，如：风速、风向以及风场稳定性等，但这些气象数据并不易获得；Simon等人在1999年发布的在马绍尔群岛各个观测点土壤中的239，240Pu浓度［25］，据此本文给出了试验时马绍尔群岛处的137Cs的分布比率（图2）。切尔诺贝利核事故发生在陆地上，故其所释放的137Cs直接进入大气通道被输运至全球各地，其沉降分布与核试验所释放的放射性物质沉降进入海洋的一致。

图1 每年进入海洋的137Cs的总量Fig.1 Total amount of137Cs discharged into the ocean annually

图2 通过大气沉降进入海洋的137Cs在全球海洋随纬度分布和137Cs马绍尔群岛附近海洋的最初分布状况Fig.2 Percentage of137Cs varied with latitude from atmospheric deposition and distribution of137Cs caused by nuclear tests at Marshall Islands

3 数值模拟结果分析

3.1 实验结果验证

放射性物质输运模式的模拟能力依赖于环流模式，由于篇幅所限本文不再讨论环流模式结果［1］。本文仅讨论核试验释放的137Cs对中国近海海洋环境的影响，所以选取距中国近海较近海区的放射性物质观测数据验证模拟结果。

Povinec等人2005年基于GLOMARD数据资料，把太平洋和印度洋划分为17个区，把每个区内全部观测资料整合成一个随时间变化的序列，用来研究每个区表层137Cs浓度随时间的变化特征［12］，对于具体每个观测点并未给出实际观测位置。为验证该模式对中国近海表层137Cs随时间演变的模拟能力，我们选择Povinec文章中覆盖中国近海的2、4、6和14区（图3）展开讨论。本文选取上述4个区中心位置模拟结果与整合观测数据对比（图3中的○位置）来评估所建立模式的可靠性。从海洋表层137Cs浓度随时间变化的图4可以看出4个区域模拟和观测的衰减速率一致，也就是说本文所建立的放射性物质模式能够刻画出中国近海137Cs随时间演变过程。

图3 中国近海海洋观测站位及观测区域划分分布图Fig.3 Location of the observation stations and patitionof observation regions in China seas

本文选取Nagaya和Nakamura 1992年文章中使用的1987年黄、东海的观测资料（图3中■，▲）来验证该模式对137Cs浓度空间和垂向分布的模拟能力。CB-11站为剖面站，其他站位仅有表面观测资料［26］。CB-11站剖面观测在500 m深度处有一高值，模式未能刻画这一现象，而且模拟的137Cs浓度在600 m以深偏高（图5a）；模拟的表层137Cs浓度和观测符合较好，其误差在0.5 Bq／m3（图5b），最大相对误差约15%。总体来看本文所建的数值模式能够较准确模拟出在20世纪80年代我国近海的137Cs的分布状况。日本福岛核事故后Wu等人对中国近海137Cs浓度进行了几个站点观测［27］，本文在下一节结合模拟结果进行讨论。

图5 1987年观测和模拟剖面（表层）对比分布Fig.5 Comparison observation in 1987 and the model results

3.2 实验结果分析

如图1所示，20世纪50至70年代是137Cs进入海洋的高峰阶段，主要是这一时期世界各国开展了大量的核试验，尤其是20世纪60年代以前美国马绍尔群岛大型核试验，所以也就是从20世纪50年代开始137Cs影响中国近海。图6给出了中国近海从1955年起每15 a的海洋表层137Cs浓度分布情况。1955年前后美国在马绍尔群岛处进行了一系列核试验（见图1），其释放的大量137Cs直接进入西北太平洋，有部分137Cs随着环流向西输运，在黑潮的作用下少量侵入中国近海（见图6a）；至1970年外海137Cs浓度要大于除渤海外的中国近海，由于渤海水深偏浅，通过大气沉降进入海洋表层的137Cs向下稀释不够造成渤海137Cs浓度高于其他海域；随着核试验减少，以及美国弃用马绍尔群岛核试验基地，通过不同途径（大气沉降，外海侵入）进入中国近海的137Cs也随之减少，所以中国近海137Cs浓度也开始降低，并且与外海浓度差异逐渐减小（见图6c、d）。

选取8个站位（见表1）来讨论核试验释放的137Cs侵入中国近海海域的情况。从图7和表1中可以看出，位于东海和吕宋海峡附近的3个站位137Cs浓度极大值出现在1953－1954年，而其他海域所属的5个站位137Cs浓度极大值相对于前者滞后10 a。20世纪50年代初美国在马绍尔群岛的核试验释放进入海洋的137Cs随洋流通过吕宋海峡通道入侵到东海海域造成东海和吕宋海峡附近海域中137Cs浓度极大值事件，而其他站位与外海没有直接通道相连，其137Cs主要是来源于20世纪60年代初大量大气沉降。如图7所示，60年代初各站点都有137Cs浓度极值出现事件。其中吕宋海峡处浓度最大（A05），东海南部和黄海的137Cs浓度极值次之，南海位置的137Cs浓度最低，日本海137Cs浓度小于黄海和东海。南海和日本海水深超过2 000 m且是半封闭海洋，通过海峡由外海传入的137Cs总量不大，且137Cs向下输运到深海（见图7），所以其上层137Cs浓度值不高，其137Cs浓度一直维持在1.2～1.6 Bq／m3之间，但相对封闭的日本海和南海浓度要高于黄、东海以及吕宋海峡站点，这主要是由于这两个海域与外海水交换不畅，沉降进入这两个海域的137Cs不易被稀释。

图6 1955－2000年137Cs在中国近海的分布Fig.6137Cs distribution from 1955 to 2000 at China seas

表1 选取站位信息Tab.1 Stations selected

上面讨论了2011年以前核试验释放到海洋中的137Cs传入中国近海的过程和其在中国近海浓度的演变特征。而2011年3月日本福岛核泄漏事故导致大量放射性物质通过直接或间接途径进入海洋，福岛核事故释放到海洋中的137Cs的模拟与预测见文献［1］。核事故前海洋中的137Cs主要源于核试验，图8给出了福岛核事故前我国近海137Cs的分布状况，2011年3月中国近海137Cs浓度介于1.0～1.6 Bq／m3间。而相对封闭的南海和日本海137Cs浓度略高，黄东海137Cs浓度偏低（1.2～1.3 Bq／m3），但东海外侧137Cs浓度高于黄、东海。基于福岛核事故所释放到海洋中137Cs还没有通过海洋通道进入中国近海［1］，同时通过大气沉降对中国近海的影响甚微［27］，所以可以认为Wu等2011年5－6月的实际观测与福岛2011年3月差别不大，对比上述模拟的2011年3月中国近海137Cs分布特征符合Wu等2011年5－6月的实际观测分布（表2），观测与模拟的浓度相近［26］，也就是该数值模式能够模拟出福岛核事故前中国近海137Cs的分布状况。

图7 选取站位表层137Cs浓度随时间变化Fig.7 Time series of observed137Cs concentration at sea surface

选取黄海（S01）、东海（S02）和南海（S03、S04）断面（图8）讨论2011年137Cs浓度的垂向分布特征（图9）。如断面S01和S04所示，核试验释放137Cs在中国近海垂向分布差距较均匀；仅东海断面和南海北部断面水深较深的位置137Cs浓度要大于下层，这与Wu等2011年6月在东海站点（DH23）的观测一致；在这4个海区的断面上，以水交换最为不畅的南海中部的137Cs浓度最高，其次是南海北部，浓度最小的海区为黄海（浓度在1.2～1.3 Bq／m3之间）。

图8 2011年3月西北太平洋海域和中国近海表层137Cs浓度分布图及Wu等2011年观测站位分布［27］Fig.8 Modeled distribution of sea surface137Cs concentrations at Northwest Pacific and observations in 2011 by Wu［27］

表2 2011年中国近海137Cs浓度观测［27］和模拟信息Tab.2 Comparison between137Cs concentrations observed by Wu［27］and model results

续表2

图9 2011年3月中国近海137Cs浓度断面分布图Fig.9 Vertical distribution of137Cs concentrations at China seas in March 2011

4 结论

本文基于POM和放射性物质输运扩散方程，建立了准全球（65°N～75°S，0°～360°E）的海洋放射性物质输运模式，通过前人工作给出了世界各国核试验释放的137Cs进入海洋的总量和进入方式，为本文数值试验提供合理初始条件。

结合观测资料，该模式模拟结果表明，该模式具备模拟核试验释放到海洋中137Cs在中国近海随时间变化规律和空间分布特征的能力。核试验释放的到海洋中137Cs从20世纪40年代末开始进入我国邻近海洋，到60年代早期以前其浓度持续增加，随着核试验的减少，进入海洋的137Cs也越来越少，137Cs随着持续自身的衰减和稀释，从60年代初开始137Cs浓度开始逐渐降低；截至2011年中国近海水体中137Cs浓度范围介于1.0～1.6 Bq／m3，而相对封闭的海域（南海、日本海）的浓度略高，137Cs浓度在中国近海垂向分布基本均匀。

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Simulation of the influence of137Cs from nuclear experiments on China seas

Zhao Chang1，2，Qiao Fangli2，Wang Guansuo2，Shu Qi2，Xia Changshui2

（1.College of Physical and Environmental Oceanography，Ocean University of China，Qingdao 266100，China；2.The First Institute of Oceanography，State Oceanic Administration，Qingdao 266061，China）

Since 1945，thousands of nuclear experiments have been carried outin many countries.Those experiments，performed either in atmosphere or under seawater，have posed a significant distribution to the radionuclide contamination on the world oceans.The distribution and evolution process of radioactive materials in the ocean have to be studied based on the long-term pollution characters，which requires a marine radionuclides model to be established.Thus in this paper，we have established a quasi-global marine radionuclides model to study the transport，distribution and evolution of the137Cs in the China seas，resulting from the nuclear experiments since 1945.The137Cs is introduced into seawaters not only from the sub-water experiments but also from the global fallout due to atmospheric nuclear experiments.The simulated vertical and horizontal distribution of the137Cs agrees well with the observation.The decaying process of the137Cs is also presented in the simulation.The137Cs from nuclear experiments entered in China seas since the 1940s.In the early 1960s，the concentration of137Cs in China seas reached its maximum and then reduced gradually due to the decay of the137Cs and the dilution from sea waters.By 2011，the concentration of137Cs in China seas is less than 2 Bq／m3and the concentration of137Cs is higher in the South China Sea than in the other seas.

nuclear experiments；marine radionuclides model；137Cs；China seas

X591

A

0253-4193（2015）03-0015-10

赵昌，乔方利，王关锁，等.历次核试验进入海洋的137Cs对中国近海影响的模拟研究［J］.海洋学报，2015，37（3）：15—24，

10.3969／j.issn.0253-4193.2015.03.002

Zhao Chang，Qiao Fangli，Wang Guansuo，et al.Simulation of the influence of137Cs from nuclear experiments on China seas［J］.Haiyang Xuebao，2015，37（3）：15—24，doi：10.3969／j.issn.0253-4193.2015.03.002

2014-01-14；

2014-03-26。

海洋公益性行业科研专项（201105019）；中韩海洋核安全监测及预测系统研究项目。

赵昌（1981—），男，山东省曹县人，博士，主要从事海洋数值模拟研究。E-mail：zhaoc＠fio.org.cn

*通信作者：乔方利（1966—），男，山东省德州市人，研究员，博导，主要从事海洋环流数值模拟、海洋与气候数据分析方法与应用、海洋在气候变化中的作用等研究。E-mail：qiaofl＠fio.org.cn