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核事故早期应急响应的风场和烟羽浓度预测模式研究

陈晓秋  
【摘要】: 为了在发生核事故时,能够有效地保护公众、保护环境,最大限度地减少损失,必须及时做出应急辐射评价和应急决策。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,应急措施能够充分实施,则可以实现完全的避免剂量,减轻事故后果。在早期应急响应阶段,事故后果评价是干预的重要依据。及时地预报中小尺度风场,预测烟云轨迹和散布,估算辐射剂量,可以描述放射性烟云输送和扩散特征以及造成辐射后果的范围和程度,在核事故应急决策中具有非常重要的意义。 本文的主要研究工作有两部分,一是局地风场预报,二是放射性烟羽浓度预测。考虑到精细的大气弥散模式是建立在高质量风场的基础之上,本研究工作的重点放在风场研究方面。风场预报,以质量守恒的风场诊断模式提供的三维风场为初始场,采用了非静力平衡、完全可压缩的动力学模式。烟羽浓度预测,采用了粒子随机游走大气扩散模式,该模式所依赖的平均风速和湍流脉动参数均来自非静力平衡、完全可压缩的动力学模式。 风场预报和浓度预测模式系统的研究开发工作,以WINDOWS 98为平台,代码采用FORTRAN 90语言编写。计算方案对风场诊断模式、风场预报模式和浓度预测模式的实现作了整体考虑。风场预报模式方程在交错网格(即标准的Arakawa C网格)中采用空间中心有限差分。时间积分采用时间分裂法。对平流、重力和惯性波以及扩散项采用大时间步长计算,对压力梯度和散度项采用小时间步长计算,并对压力和垂直速度采用隐式格式进行求解,使得可以采用较大的小时间步长,而不受垂直格距的严格限制。湍能预报方程采用1.5阶湍流闭合方案,确定湍流涡动系数。 用本系统对秦山核电厂址和大亚湾核电厂址分别进行了模拟试验。前者主要检验风场预报的效果,后者主要验证烟羽浓度预测的结果。 秦山核电厂址的模拟试验结果显示,风速的预报效果要比风向的预报效果好。从整体上看,在预报的最初6小时内,本系统的风场预报结果与地面气象测站的实况基本一致。预报效果的统计分析表明,在预报的最初2个小时内,风向差不超过1.5个风向角(即D≤33.75度)的可达93%,风速比不超过1.5倍的接近80%。 大亚湾核电厂址的模拟实验显示,浓度预测模式给出的粒子散布和积分浓度分布均能反映出污染物输送路径的变化,以及地形对污染物迁移和扩散的影响。5次现场示踪试验结果的统计分析表明,预测值和实测值的比值Rc≤10的占59.1%,其中比值Rc≤5的达到41%。 本研究工作表明,采用非静力风场预报模式和随机游走大气扩散模式,能够反映出复杂地形条件下污染物迁移和扩散的主要特点,模式预测值与实测值的符合程度较高,整个系统的运行时间不超过22分钟,能基本满足核事故早期应急响应事故后果评价的要求。


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