福岛核事故释放的137Cs在西北太平洋海水中输运的模拟与预测

赵云霞,韩 磊,曲大鹏,赵 昌,庄展鹏,袁业立

(1.中国海洋大学海洋与大气学院,山东青岛266100;2.国家海洋局第一海洋研究所,山东青岛266061; 3.青岛海洋科学与技术国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室,山东青岛266071)

福岛核事故释放的137Cs在西北太平洋海水中输运的模拟与预测

赵云霞1,2,3,韩 磊2,3*,曲大鹏2,3,赵 昌2,3,庄展鹏1,2,3,袁业立1,2,3

(1.中国海洋大学海洋与大气学院,山东青岛266100;2.国家海洋局第一海洋研究所,山东青岛266061; 3.青岛海洋科学与技术国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室,山东青岛266071)

2011-03-11日本福岛核电站放射性物质发生泄漏事件,本研究基于MASNUM(Laboratory of Marine Science and Numerical Modeling)海洋环流模式,建立了西北太平洋海洋放射性物质输运扩散模式,对事故释放的137Cs在海洋中的输运和扩散过程进行了20 a的模拟与预测。根据与观测资料的比较,验证了所建立的模式具备模拟放射性物质在海洋中的输运扩散过程的能力。结果显示:至2015年,137Cs表层活度浓度已经扩散至整个中国海域,活度浓度值在0.01 Bq/m3左右;事故发生10 a后,研究海域137Cs表层活度浓度趋于均匀,为0.20～0.60 Bq/m3左右;20 a后,137Cs在海洋表层的活度浓度要小于0.15 Bq/m3。垂向扩散的结果显示:事故发生10 a后,黄海海域137Cs垂向分布较为均匀,东海东部陆架海域活度浓度高于西部海域,且上层海水中137Cs活度浓度高于底层海水,南海北部海域137Cs活度浓度高于南部海域,且略小于黄海和东海;至2030年,中国近海137Cs的活度浓度的垂向分布趋于均匀,南海略高于黄海和东海;日本海137Cs活度浓度主要集中在表层,最大活度浓度出现在2016年,约为0.20 Bq/m3;西北太平洋海域137Cs活度浓度要高于其他4个海域;2030年以后,整个海域137Cs活度浓度在水平和垂向分布均趋于均匀,均小于0.15 Bq/m3。

福岛核事故;137Cs;放射性物质扩散模式;西北太平洋

海洋中的放射性物质主要通过大气沉降和直接排入两种方式进入海洋,在海洋中的存在形式有3种:1)海水中溶解的放射性物质;2)吸附在悬浮物上的放射性物质;3)海底沉积物中的放射性物质。以上这3种形式存在的放射性物质,在海洋中随着海水的平流和混合作用相互转化,对海洋的生态系统产生影响。离子态放射性核素通过水体的垂直运动,被悬浮物颗粒吸着,与有机或无机物质凝聚、絮凝,或通过累积放射性核素的生物的排粪、蜕皮、产卵、铅直移动等途径才能较快地沉降于海洋的底部。沉积物对大多数放射性核素都有很强的吸着能力,其富集系数因沉积物的组成、粒径、环境条件有较大的差异。海流、波浪和底栖生物还可以使沉积物吸着的放射性核素解吸,重新进入水体中,造成二次污染。

自20世纪80年代开始,各国学者开始尝试用数值模拟的方法开展海洋中放射性物质扩散的研究工作。1985年Evans利用箱式模型计算了波罗的海的放射性物质的含量[1]。自此箱式模型被广泛地应用在放射性物质扩散的模拟中,其主要原理是将研究的区域划分成一个个小的箱子,不同的箱子之间通过海水的平流和混合作用进行物质交换[2-6]。Lepicard等研发的POSEIDON/RODOS(Real-time On-line Decision Support System)箱式模型能够同时模拟多源输入的放射性物质,该模型可以计算出溶质中和沉积物中放射性物质的活度浓度[2-3]。

(李 燕 编辑)

在海洋放射性物质输运模式的发展进程中,Perianez等做了大量的工作。1996年Perianez和Abril在潮汐模式的基础上发展了一个近海海洋放射性物质输运模式,给出了放射性物质在海洋中3种存在形式的4个扩散方程的概念模型,其中沉积物中放射性物质扩散方程分为两部分,也详细地介绍了他们之间的转换关系,本文的工作也参考了该概念模型[7]。1998年Perianez在前两年工作的基础上继续发展了可模拟深海放射性物质输运的模式,将其应用于3H,137Cs和239,240Pu在海洋中的输运研究[8]。1999年,Perianez又对其所建立的模式进行了进一步的完善,模拟了爱尔兰海域的239,240Pu的分布[9]。2004年,Perianez建立了3种动力模型来模拟由法国La Hague核废料处理基地释放的137Cs在英吉利海峡处海水中和沉积物中的含量,文中也给出了海水中放射性物质几种存在形式之间的交换系数[10]。此外,Tsumune等在OGCM(Ocean General Circulation Model)基础上发展的放射性物质输运模式也取得了较为理想的成果[11-12]。

当地时间2011-03-11T14:46,日本宫城县东部海域发生里氏9.0级地震,引发了破坏力极大的海啸,海啸最高值达到40.5 m。海啸越过福岛核电站的堤坝摧毁了核电机组,冷却系统出现故障,进而引发核电站1-4号机组爆炸,导致大量放射性物质泄漏。

福岛核事故发生后,各国研究人员开始对此次事故释放的放射性物质在海洋和大气中的扩散展开了一系列的研究。2011-04,Qiao等针对福岛核事故,利用CCSM3(Community Climate Atmosphere Model version 3.0)气候预测模式与MASNUM(Laboratory of Marine Science and Numerical Modeling)海浪-潮流-环流耦合数值预报系统,在理想条件假设下,对泄漏的放射性物质的输运扩散路径进行了情景模拟和预测[13]。Kawamura等根据东京电力公司(Tokyo Electric Power Company,TEPCO)提供的放射性物质泄漏的时间序列,通过示踪物方式模拟了海洋中131I和137Cs的扩散过程[14]。2012年Nakano等建立了分辨率为2°×2°的准全球海洋放射性物质输运模式(Long-term Assessment Model of Radionuclides in the oceans,LAMER),对此次核事故泄漏的137Cs在海洋中的长期变化进行预测[15]。何晏春等使用全球版本的迈阿密等密度海洋环流模式(Miami Isopycnic Coordinate Model,MICOM),对此次核事故泄漏的放射性物质在海洋中的传输及扩散进行了数值模拟[16]。Wang等使用一个空间分辨率为(1/8)°×(1/8)°的区域海洋环流模式(Regional Ocean Modeliny System,ROMS),在北太平洋海域对核物质进行了数值模拟[17]。赵昌等在2014年,利用普林斯顿海洋模式(Princeton Ocean Model,POM)建立了一个分辨率为0.5°×0.5°的准全球环流模式,对福岛核事故泄漏进入海洋的137Cs对中国近海的影响进行了模拟与预测[18]。2015年,赵昌等在此模式的基础上,对历史上核试验进入海洋中的137Cs对中国近海的影响进行了模拟研究[19]。

137Cs是核事故释放人工放射性核素中最重要的核素之一,半衰期为30.17 a,能同时释放出β射线和γ射线,137Cs通过食物链进入人体之后,聚集在肌肉组织中,危害人体健康。因此,对海水中137Cs比活度的分析在海洋核安全的监管工作中占有很重要的地位。我国水产养殖137Cs的标准为700 Bq/m3。福岛核事故对世界各国都产生了严重的影响,放射性物质在海洋中的输运和扩散的研究也备受关注。本文考虑了放射性物质在海洋中的3种存在方式,基于一个两时间层、原始方程三维海洋环流模式——MASNUM(Laboratory of Marine Science and Numerical Modeling)海洋环流模式,在西北太平洋海域建立了一个高分辨率的海洋放射性物质输运扩散模式,在此基础上模拟预测福岛核事故对西北太平洋,尤其是对中国海域的影响。

1 模式建立

1.1 海洋环流模式的建立

本文基于国家海洋局第一海洋研究所自主研发的一个两时间层、原始方程三维海洋环流数值模式建立了一个区域海洋环流数值模式[20]。该环流模式从完整的地球流体力学的控制方程出发,在Boussinesq近似和静力学假定下,详细的给出了地形坐标下,雷诺平均的海水运动的控制方程,如下:

连续方程:

动量方程组:

温盐方程组:

式中,变量uj为水平和垂向速度,j=1,2,3;T,S分别为海水的温度和盐度。υ是海水的运动黏性系数,κT为海水的分子热扩散系数,κS是海水的盐度扩散系数。AM,BV和KM分别为水平黏性系数、波生湍流混合系数和垂向湍黏性系数。AH和KH分别为水平尺度耗散系数和垂向湍耗散系数。这些系数通常被验证有以下关系AM≫KM≫υ和AH≫KH≫υ。

BV是Qiao等[21]2004年提出的一种将海浪混合作用加入模式的方法,改进了模式的混合方案,波生湍流混合系数BV可表达为海浪波数谱的形式:

MASNUM环流模式水平采用Arakawa C网格,垂向采用sigma网格,在数值算法上,内模态和外模态的时间差分算法均采用了两时间层的欧拉前后差分格式(Forward-Backward),三维预报方程中水平扩散项采用显式、垂向扩散项采用隐式,非线性平流项采用显式处理。该环流模式在中国近海潮汐的模拟预测中,对迟角的模拟表现出一定的改善,也能模拟出典型的黄海冷水团的主要特征和变化规律[20]。

本文环流模式计算区域为99°～150°E,0°～50°N(图1),水平分辨率为(1/6)°×(1/6)°,垂向分为16σ层,上层和底层采用较高的分辨率。模式的边界条件取自准全球环流模式结果[20]。地形数据采用政府间海洋委员会和国际水道组织提供的GEBCO(General Bathymetric Chart of the Oceans)0.5'×0.5'的水深数据插值而来。初始温盐场取自Levitus 1982年平均温度和盐度。模式冷启动,初始流速取零。海表驱动场采用COADS(Comprehensive Ocean-Atmosphere Data Set)提供的1°×1°的月平均热通量场和风场插值得到。此外加入了潮流开边界条件,还考虑了长江冲淡水的影响及波致混合作用,物质输运模式的开边界条件由全球模式结果插值得到。

图1 研究区域水深地形图Fig.1 Topography of the Northwest Pacific Ocean

1.2 放射性物质扩散模式的建立

为模拟放射性物质在海洋中的输运和扩散过程,必须建立一个合理的放射性物质输运扩散模式。1996年Perianez[7]提出了放射性物质在海洋中3种存在方式的输运和扩散的概念模型,详细地介绍了放射性物质在溶质中、悬浮物中及大小不同的沉积物中的扩散及相互转化过程。本文在Perianez提出的概念模型的基础上,忽略了沉积物中放射性物质对溶质中和悬浮物中放射性物质活度浓度的影响,给出了适合本研究区域合理的放射性物质输运扩散方程。溶质和悬浮物中放射性物质在海洋中的输运扩散方程:

式中,Cd和Cs(Bq/m3)分别为溶质和悬浮物中的放射性物质活度浓度;H是水深,星号表示下一时间步长对应的物理量;m为悬浮物浓度,随着水深的变化而变化,在表层取值为m(0)=0.25 g/m3,随深度z的变化关系式为m(z)=m(0)×10-0.0005z;k1,k2为溶质和悬浮物中放射性物质活度浓度的转化系数,其中k1= x1Ss,x1=2.10×10-8m/s为表层交换速度,由实验室数据得到[10]是单位体积的悬浮物颗粒与溶质之间的表层交换,其中悬浮物密度ρ=2 600 kg/m3,悬浮物半径R=1.5×10-5m,均为常数。k2=1.16×10-5s-1,由实验室数据得到[10];平流项adv和扩散项diff可以写成如下形式:λCd为长期变化项,衰变系数对于放射性核素137Cs来讲,其半衰期T=30.17 a。本文模拟的日本福岛核事故137Cs的输运扩散的初始场来自TEPCO发布的2011-03-11—04-06日本福岛第一核电站释放到海洋和大气中的137Cs的含量。

2 环流模式结果验证

为了验证环流模式对西北太平洋的模拟能力,本文对模拟的海表温度场和流场与观测资料进行了验证。

2.1 海表温度场

海表温度场的验证,我们选取了美国国家海洋大气管理局(NOAA)的气候态资料WOA13(World Ocean Atlas 2013)气候态温度场作为参考。图2给出了模式积分20 a气候态海表温度场(a:2月,c:8月)和WOA13资料(b:2月,d:8月)气候态海表温度观测资料的分布。从图中可以看出,模式积分20 a的SST可以很好地反映出观测的SST的一些基本的特征。2月份,研究区域的SST整体呈现由南至北递减趋势,且梯度较为显著,赤道太平洋海区温度在28℃以上,中国南海海域SST也较高,一般为20～28℃,渤、黄、东海的SST为0～20℃。SST的模式结果分布也很好地反映了黄海暖流、对马暖流及黑潮的配置关系。黑潮及暖流的流经海域,其SST要明显高于邻近海域,东海黑潮水温高达20～24℃,流经至日本沿岸海域,SST减小至16～22℃。冬季,泰国湾口附近较观测结果偏低,40°N以北海域结果偏高。8月份,是北半球夏季,也是全年水温最高的月份。35°N以南大部分海域,SST在26～30℃,个别海域已经超过30℃。日本沿岸海域SST在26℃左右,35°N以北海域,SST随纬度增加呈递减分布。夏季,45°N以北海域以及20°N太平洋海域模拟的SST较观测结果偏高。总体来看,MASNUM海洋环流模式模拟的SST结果在一定程度上能够很好地再现研究海域气候态SST的分布特征。

图2 模拟的海表面温度场与WOA13气候态温度场的比较Fig.2 Comparison between the Model simulated and WOA13 Monthly climatology SST

2.2 表层流场

图3给出了模式模拟的研究区域的20 a平均的表层流场(a:2月,b:8月)与OSCAR(Ocean Surface Current Analyses-Real time,c:2月,d:8月)和SODA(e:2月,f:8月)气候态平均的表层流场分布。通过比较可以看出,环流模式模拟的表层流场可以很好地描述北赤道流、黑潮、黑潮延伸体、棉兰老流和北赤道逆流的特征。冬季,北赤道流在太平洋西边界发生分岔,表层分岔位置在12°30'N左右,其北向分支形成黑潮,在30°N左右转为东向流动的黑潮延伸体;其南向分支形成棉兰老流,在5°N左右转为东向流动的北赤道逆流。夏季,北赤道流表层分岔位置向北移动,在14°N左右。渤、黄、东和南海的表层流场受东北季风和西南季风的影响,存在明显的季节变化特征。这也进一步表明MASNUM海洋环流模式模拟的西北太平洋的流场在一定程度上能够很好地再现西北太平洋流场的气候态变化特征。

图3 模式模拟与OSCAR,SODA气候态表层流场分布Fig.3 Climatological monthly surface current from the model,OSCAR and SODA

3 放射性物质137Cs的模拟结果

MASNUM海洋环流模式能够模拟研究海域的水动力特征,在此基础上,模拟并预测了2011年日本福岛核事故中泄漏的137Cs在海洋中的输运扩散过程。

Aoyama等给出了2011-11—2012-03日本核事故后在日本周边及太平洋海域的137Cs的表层活度浓度的观测数据[23]。表1选取了本文研究区域范围内的10个观测站点(ST01～ST10)的137Cs的表层活度浓度信息,并以此来验证模式模拟的准确性,10个观测站点的位置在图1中已给出(黑色三角形)。二战以来,各国的核试验、核废料及核武器等排入到海洋中的放射性核素仍有残留,表1中给出了赵昌等给出的这10个站点至2011年福岛核事故之前的137Cs的比活度信息[19]。通过比较,10个站点的模拟结果与观测结果相对误差都在10%以内。相关分析也显示实验结果与观测结果较为一致,二者的相关系数达到98%。总之,通过与观测数据的比较分析,验证了在MASNUM环流模式基础上运行的放射性物质输运扩散模式在模拟137Cs在海洋中的输运扩散过程是可靠的。

表1 2011-11—2012-03137Cs的观测和模拟信息Table 1 Comparison between the observed and the model simulated137Cs concentration variations

3.1 放射性物质137Cs的水平扩散

为了研究放射性物质在西北太平洋海域的长期输运扩散路径,图4给出了福岛核事故泄漏的核物质137Cs在2011-06—2030-06中在海洋表层的分布情况。从图中可以看出,核事故发生3个月后,由于事故发生在黑潮延伸体流域,使得放射性物质迅速向东扩散,日本东部海域表层137Cs的活度浓度最高达到300 Bq/m3以上;1 a后,日本附近海域137Cs表层活度浓度下降两个量级,在1～10 Bq/m3;自2013年开始,核物质蔓延至中国海域,137Cs表层活度浓度小于0.005 Bq/m3;2015年的水平分布显示,137Cs已经扩散至整个中国海域,表层活度浓度在0.01 Bq/m3以上。东海和台湾以东海域的137Cs表层活度浓度在0.10 Bq/m3以上;至2020-06,即福岛核事故10 a后,研究区域的137Cs表层活度浓度趋于均匀,在0.20～0.60 Bq/m3,这种状态将持续5～6 a,到2026年之后,137Cs表层活度浓度将减小至0.20 Bq/m3以下;事故发生20 a后,经过进一步的扩散和稀释,137Cs在海洋表层的活度浓度小于0.15 Bq/m3。

图4 模式模拟的20 a137Cs表层活度浓度分布Fig.4 Simulated distribution of surface137Cs concentration in 20 years

3.2 放射性物质137Cs的垂向扩散

为了进一步了解福岛核事故释放的137Cs在研究海域的输运扩散过程,本文在研究区域范围内,选取5个代表性的站点P01～P05和4个断面A～D(图1)来研究137Cs在各个海域中的垂向扩散,表2给出了选取的5个站点的信息。

图5给出了选取的5个站点的137Cs 20 a的垂向分布,图6和图7分别给出了2020-06和2030-06,4个断面的137Cs的垂向分布。从图中可以看出:黄海代表站位P01与东海代表站位P02的垂向分布大致相同,由于海域水深较浅,137Cs的活度浓度上下趋于一致;2016年,东海海域137Cs活度浓度在0.20 Bq/m3左右,黄海海域137Cs活度浓度在0.10 Bq/m3左右;东海海域最大活度浓度在0.28 Bq/m3左右,出现在2017—2020年间,黄海海域最大活度浓度在0.22 Bq/m3左右,出现在2019年;2020-06黄海A断面的垂向混合较为均匀,137Cs活度浓度上下层趋于一致,约为0.22 Bq/m3;东海靠近陆架区域的137Cs活度浓度高于西海岸,活度浓度最高可达到0.5 Bq/m3,且上层海水中137Cs活度浓度略高于下层海水。到2030年,黄海和东海中的137Cs活度浓度均小于0.14 Bq/m3,海域东部活度浓度高于西部。

表2 选取的5个代表站点的信息Table 2 5 selected representative stations

图5 选取的5个站点处137Cs活度浓度的20 a垂向分布Fig.5 Vertical distribution of137Cs concentration at the five selected representative stations in 20 years

2020年,南海海域137Cs活度浓度总体小于黄海和东海,最大活度浓度大约为0.20 Bq/m3,且南海北部的137Cs活度浓度要高于南海南部,垂向分布呈现上层活度浓度高于底层;南海北部海域,中层海水中137Cs活度浓度要高于表层和底层海水;P03实验站点的时间分布显示,在2022年南海中部137Cs活度浓度出现最大值,约为0.18 Bq/m3,且位于500 m层附近;接下来的10 a,137Cs活度浓度又呈递减趋势,至2030年,南海整个海域中137Cs活度浓度趋于均匀,活度浓度在0.1 Bq/m3左右。

日本海海域137Cs活度浓度主要集中在表层,最大活度浓度出现在2016年,大约为0.20 Bq/m3;西北太平洋海域,137Cs活度浓度要高于其他四个海域,最大活度浓度大约在1.20 Bq/m3,出现在2016年,位于100～300 m层;核事故20 a后,整个研究海域,137Cs活度浓度在垂向分布上趋于均匀,大部分海域137Cs活度浓度小于0.12 Bq/m3,西北太平洋海域上600 m层137Cs活度浓度略高,但也不超过0.14 Bq/m3。

图6 2020-06选取的4个断面的137Cs活度浓度的垂向分布Fig.6 Vertical distribution of137Cs concentration at the four selected representative sections in June 2020

图7 2030-06选取的4个断面的137Cs活度浓度的垂向分布Fig.7 Vertical distribution of137Cs concentration at the four selected representative sections in June 2030

4 结 论

本文基于MASNUM海洋环流模式,针对2011-03日本福岛核事故,建立了西北太平洋的区域放射性物质的输运扩散模式,采用TEPCO给出的核事故释放137Cs的含量作为初始条件,对放射性137Cs在20 a间的输运过程及其在研究海域的垂向扩散进行了研究。根据与观测资料的比较,该模式具备模拟放射性物质在海洋中的输运扩散过程的能力,主要得到以下结论:

1)137Cs的水平输运显示:至2015年,137Cs表层活度浓度已经扩散至整个中国海域,活度浓度值在0.01 Bq/m3左右;事故发生10 a后,研究海域137Cs表层活度浓度趋于均匀,在0.20～0.60 Bq/m3;20 a后,经过进一步的扩散和稀释137Cs在海洋表层的活度浓度都要小于0.15 Bq/m3。

2)137Cs的垂向扩散显示:至2020年黄海的垂向混合较为均匀,137Cs活度浓度上下层趋于一致;东海靠近陆架区域的137Cs活度浓度高于西海岸,且上层海水中137Cs活度浓度略高于下层海水;南海海域137Cs活度浓度总体小于黄海和东海,且南海北部的137Cs活度浓度要高于南海南部。至2030年,黄海和东海中的137Cs活度浓度均小于南海,且海域东部活度浓度略高于西部。日本海137Cs活度浓度主要集中在表层,最大活度浓度出现在2016年。西北太平洋海域,137Cs活度浓度要高于其他4个海域。

3)核事故20 a后,整个研究海域,137Cs活度浓度在水平和垂向分布均趋于均匀,大部分海域137Cs活度浓度均小于0.15 Bq/m3。

[1] EVANS S.A box model for calculation of collective dose commitment from radioactive waterborne releases to the Baltic Sea[J].Journal of Environmental Radioactivity,1985,2(1):41-57.

[2] LEPICARD S,RAFFESTIN D,RANCILLAC F.Poseidon:a dispersion computer code for assessing radiological impacts in a European sea water environment[J].Radiation Protection Dosimetry,1998,75:79-83.

[3] LEPICARD S,HELING R,MADERICH V.POSEIDON/RODOS models for radiological assessment of marine environment after accidental releases:application to coastal areas of the Baltic,Black and North Seas[J].Journal of Environmental Radioactivity,2004,72(1-2):153-161.

[4] NIELSEN S.A comparison between predicted and observed levels of137Cs and90Sr in the Baltic Sea[J].Radioprotection,1997,32(C2): 387-394.

[5] NIELSEN S,BENGTSON P,BOJANOWSKY R,et al.The radiological exposure of man from radioactivity in the Baltic Sea[J].The Science of the Total Environment,1999,237/238(4):133-141.

[6] IOSJPE M,BROWN J,STRAND P.Modified approach to modelling radiological consequences from releases into the marine environment [J].Journal of Environmental Radioactivity,2002,60(1-2):91-103.

[7] PERIANEZ R,ABRIL J.Modelling the dispersion of non-conservative radionuclides in tidal waters-part 1:conceptual and mathematical model[J].Journal of Environmental Radioactivity,1996,31(2):127-141.

[8] PERIANEZ R.Modelling the distribution of radionuclides in deep ocean water columns.Application to3H,137Cs and239,240Pu[J].Journal of Environmental Radioactivity,1998,38(2):173-194.

[9] PERIANEZ R.Three-dimensional modelling of the tidal dispersion of non-conservative radionuclides in the marine environment.Application to239,240Pu dispersion in the eastern Irish Sea[J].Journal of Marine Systems,1999,22:37-51.

[10] PERIANEZ R.Testing the behavior of different kinetic models for uptake/release of radionuclides between water and sediments when implemented in a marine dispersion model[J].Journal of Environmental Radioactivity,2004,71:243-259.

[11] TSUMUNE D,AOYAMA M,HIROSE K.Behavior of137Cs concentrations in the North Pacific in an ocean general circulation model [J].Journal of Geophysical Research,2003a,108(C8):3262.

[12] TSUMUNE D,AOYAMA M,HIROSE K.Numerical simulation of137Cs and239,240Pu concentrations by an ocean general circulation model[J].Journal of Environmental Radioactivity,2003b,69:61-84.

[13] QIAO F L,WANG G S,ZHAO W,et al.Predicting the spread of nuclear radiation from the damaged Fukushima Nuclear Power Plant[J].Chinese Science Bulltin,2011,56(2):1890-1896.

[14] KAWAMURA H,KOBAYASHI T,FURUNO A,et al.Preliminary numerical experiments on oceanic dispersion of131I and137Cs discharged into the ocean because of the Fukushima Daiichi nuclear power plant disaster[J].Journal of Nuclear Science and Technology, 2011,48(11):1349-1356.

[15] NAKANO M,POVINEC P.Long-term simulations of the137Cs dispersion from the Fukushima accident in the world ocean[J].Journal of Environmental Radioactivity,2012,111:109-115.

[16] HE Y C,GAO Y Q,WANG H J,et al.Transport of nuclear leakage from Fukushima nuclear power plant in the North Pacfic[J].Hai yang Xuebao,2012,34(4):12-20.何晏春,郜永祺,王会军,等.2011年3月日本福岛核电站核泄漏在海洋中的传输[J].海洋学报, 2012,34(4):12-20.

[17] WANG H,WANG Z Y,ZHU X M,et al.Numerical study and prediction of nuclear contaminant transport from Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant in the North Pacific Ocean[J].Chinese Science Bulltin,2012,57(26):3518-3524.

[18] ZHAO C,QIAO F L,WANG G S,et al.Simulation and prediction of137Cs from the Fukushima accident in the China Seas[J].Chinese Science Bulletin,2014,59(34):3416-3423.赵昌,乔方利,王关锁,等.福岛核事故泄漏进入海洋的137Cs对中国近海影响的模拟与预测[J].科学通报,2014,59(34):3416-3423.

[19] ZHAO C,QIAO F L,WANG G S,et al.Simulation of the influence of137Cs from nuclear experiments on China seas[J].Haiyang Xuebao,2015,37(3):15-24.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.

[20] HAN L.A two-time-level split-explicit ocean circulation model(MASNUM)and its validation[J].Acta Oceanologica Sinica,2014,33 (11):11-35.

[21] QIAO F L,YUAN Y L,YANG Y Z,et al.Wave-induced mixing in the upper ocean:distribution and application to a global ocean circulation model[J].Geophysical Research Letters,2004,31(11):293-317.

[22] QIAO F L,YUAN Y L,EZER T,et al.A three-dimensional surface wave-ocean circulation coupled model and its initial testing[J]. Ocean Dynamics,2010,60(5):1339-1355.

[23] AOYAMA M,UEMATSU M,TSUMUNE D,et al.Surface pathway of radioactive plume of TEPCO Fukushima NPP1 released134Cs and137Cs[J].Biogeosciences Discussions,2013,10:265-283.

Numerical Study and Prediction of137Cs Transport From the Fukushima Nuclear Accident in the Northwest Pacific Ocean

ZHAO Yun-xia1,2,3,HAN Lei2,3,QU Da-peng2,3,ZHAO Chang2,3,ZHUANG Zhan-peng1,2,3,
YUAN Ye-li1,2,3(1.College of Oceanic and Atmospheric Science,Ocean University of China,Qingdao 266100,China; 2.The First Institute of Oceanography,SOA,Qingdao 266061,China; 3.Laboratory for Regional Oceanography and Numerical Modeling,Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology,Qingdao 266071,China)

On March 11,2011,significant amounts of radioactive contaminants were leaking into the air and oceans causing by the Fukushima Daiichi nuclear power plant(FD-NPP)accident.Based on a twotime-level,three-dimensional numerical ocean circulation model(named MASNUM),we established a high resolution Northwest Pacific Ocean radionuclides transport model to simulate and predict the transport of the leaking radioactive isotope137Cs resulting from the nuclear accident in 20 years.According to the comparison with the observation data,the established radionuclides transport model was validated effective and reliable.The results show:the surface concentration of137Cs had spread to the whole China seas in 2015,with the concentration about 0.01 Bq/m3;the surface concentration tend to be evenly distributed in 10 years,at around 0.20～0.60 Bq/m3;till 2030,the concentration in surface ocean is less than 0. 15 Bq/m3.The vertical diffusion results show:in 2020,the concentration of137Cs in the Yellow Sea are roughly the same in the vertical distribution;the concentration of137Cs is larger in the east of the East China Sea than the west area,where the concentration in the surface layers is larger than the bottom layers; the concentration in the northern South China Sea is larger than that in the southern seas,and a slightly smaller than the Yellow Sea and the East China Sea;the137Cs concentration vertical distribution becomes homogeneous in the China seas in 2030;The high concentration in the Japan Sea will concentrate in the surface layer,with a maximum value of 0.20 Bq/m3in 2016.The137Cs concentration in the Northwest Pacific Ocean with a maximum concentration is larger than the other four seas.The137Cs concentration of the entire area will be affected to be consistent in horizontal and vertical distribution in 20 years,with the low concentration less than 0.15 Bq/m3.

Fukushima nuclear accident;137Cs;radionuclides transport model;the Northwest Pacific Ocean

March 11,2016

P731.23

A

1671-6647(2017)02-0221-13

10.3969/j.issn.1671-6647.2017.02.007

2016-03-11

国家自然科学基金项目——波浪破碎对表层海洋湍流的能量输入(40906017)和福岛核事故泄漏入海137Cs在西北太平洋向西南输运的数值研究(41506035)

赵云霞(1987-),女,黑龙江牡丹江人,博士研究生,主要从事物理海洋学方面研究.E-mail:zhaoyx@fio.org.cn

*通讯作者:韩 磊(1981-),男,山东潍坊人,副研究员,博士,主要从事波浪破碎和海洋环流数值模拟方面研究.E-mail:hanlei@fio.org.cn