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CALPUFF模式用于放射性核素不同尺度的迁移扩散研究
【摘要】：放射性核素在大气中的迁移扩散问题,在核事故应急响应、突发事件应急响应、裂变材料生产、核厂址风险评价、禁核实验的源项估算等领域都倍受关注。从1986年的切尔诺贝利核事故到2011年的日本福岛核泄露事故,放射性核素迁移扩散的研究经历了数十年的发展,无论是模式理论还是模拟技术都有了很大进步。放射性核素迁移扩散研究最主要的应用是核事故的应急响应,美国和欧洲等研究机构在这方面都有自已成熟的不同尺度的模式及体系,但是我国在这方面的研究还很不足,尤其是在事故情况下对污染水平的应急预测,以及事故后短期的实时模拟计算。为了满足我国核能发展和辐射环境影响评价的需求,本文在调研文献的基础上,总结了放射性核素迁移扩散模式的研究方法,对新的模拟技术如集合分析等进行了分析研究,并利用现有资源进行模拟计算,开展了放射性核素迁移扩散的研究。
本论文调研了放射性核素的迁移扩散模式的发展状况,对现有的模式及其应用作了综述,在研究现有模式的基础上,选择拉格朗日烟团模式CALPUFF作为本论文关于放射性核素不同距离迁移扩散研究的工具。CALPUFF是美国EPA推荐模式,有成熟的理论基础和长期的跟踪改进及验证研究,是一个成熟的应用模式。CALPUFF模式可运用于复杂地形,非稳态的流场,在长距离情况下可以矫正地形对流场的影响,而且在扩散计算时可以根据具体流场特点选择积分方式和扩散参数计算方法。CALPUFF的计算区域可以从几十米到上千公里,从局地尺度到区域尺度,对于模拟突发核事故情况下的短期及长期扩散非常适合。CALPUFF系统由于针对的是非放物质所以不能用于放射性核素的模拟计算,本论文的工作即是在CALPUFF的基础上,进行进一步的开发,在烟团模式的基础上加入了对放射性核素的放射性衰减的模拟计算、加入放射性核素的干湿沉积参数、并建立了事故情况下的剂量估算模式,使CALPUFF能用于核事故情况下的估算分析。
在核事故模拟计算中,从事故的初始释放,到事故的持续几十小时的释放,事故释放的各个空间尺度及各时间范围都很关健。为了研究事故释放的各时间、空间范围的迁移扩散特征,本论文进行了不同距离范围的模拟,从近距离20公里到200-300公里及上千公里的应用研究,并分别进行验证分析。
本论文的主要研究工作有四个部分：
1.在对扩散模式进行调研的基础上,选择拉格朗日烟团模式CALPUFF作为研究的基础,对现有的烟团模式进行改进。
(1)在CALPUFF模式中加入关于核素的放射性衰减计算模型,并加入有关核素的干湿沉积计算参数。
(2)建立剂量模型,计算在事故应急情况下的有效外照射剂量及吸入内照射剂量,为应急决策提供重要的数据支持。
2.在事故初期,最关心的问题是近距离内放射性核素的分布水平,以决定撤离范围及响应的水平。为了研究事故初始释放特征,开展了近场复杂地形的示踪实验研究,并同时用CALPUFF模式进行模拟计算,通过现场监测数据与模式结果的对比,研究了复杂地形近距离扩散的特征,并说明CALPUFF模式在近距离短期释放的模拟计算结果较好,但也存在一定问题：
1)从现场实验数据看,对于事故初期的高架源近距离扩散,当风速较小时,地形影响较大,当风速较大时,地形影响减小,地面最高浓度值一般在1-3公里范围。浓度和风向摆动相关,当风向较稳定时,地面浓度分布窄,浓度值较高,当风向摆动时,地面浓度分布较宽,浓度值趋于平均,浓度降低。水平浓度分布并非标准高斯分布,在采样点浓度轴线两边的边缘浓度有异常增高现象。
2)模式结果与实验数据相比,模式的浓度分布呈标准高斯分布没有反映出实测数据的异常值,在模拟计算时,计算了几种扩散计算方法：
a.选择了不同的扩散参数计算方法：P-G法和相似理论(Similarity)计算方法和不同的积分取样方式：烟团模式(PUFF)和烟片模式(SLUG),进行了四种方式的模拟计算：PUFF+P-G、PUFF+Similarity、SLUG+P-G、SLU+Similarity。实验结果说明在实验条件下,PUFF+P-G有较好的模拟结果,偏差为-13.82ug m3H-1,均方根为3.02ug m3H-1,FA2和FA5分别为27.06%和61.41%,FOEX为-25.91%。
b.选择了不同的积分取样方式即烟片取样函数和烟团取样函数,结果比较说明烟片取样函数更能反应近距离、短时间的Causality effects(因果效应),在事故情况的初始阶段能更好的模拟污染物的扩散。
c.计算了实验数据以MESOPUFFⅡ的扩散参数形式拟合的扩散参数,并与模式PG方法(MESOPUFFⅡ)扩散参数比较,说明模式参数与实验数据存在差异,并影响最后浓度结果。
d.四种方式的模拟对比说明CALPUFF模式对初始释放近距离的模拟存在一定问题,预测结果偏低,不能很好的预测峰值,但是在应急情况下,模式结果有一定的指导意义。
3.为了研究放射性核素在中尺度的迁移扩散,用开发的CALPUFF-R模式对日本福岛核事故进行了400×400公里的模拟计算(以源为模拟中心,半径200公里),并与可获得的监测数据进行了对比。结果说明模式可以准确预测放射性烟团的分布,在距源128公里和140公里的两个城市点对点数据吻合较好,时间序列也相对应。在近距离30-60公里8个方位的计算中,与可获得的监测数据对比显示,近距离数据差别在一个数量级以内,但是在核素沉积的西北方向,模式未计算出相应的高浓度。用剂量模型计算了特定核素Ⅰ-131和Cs-137在事故情况下累计外照射有效剂量,并与监测数据相对比,结果低于监测数据。由于缺少降水的准确数据,模式未能准确计算湿沉积通量,因而由地面沉积通量和空气浓度计算的烟云浸没外照射剂量小于监测数据,但是模式结果还是认为比较理想的。为了进一步验证模式中尺度扩散模拟效果,选择了非放惰性物质计算了太原地区PM10的扩散。
4.为了研究放射性核素在长距离的迁移扩散,用CALPUFF模式对ETEX-1实验进行了长距离扩散模拟计算。放射性核素的迁移扩散对环境的影响,在时间空间尺度上一般都比较大,所以用于模拟放射性物质的模式一般都是长距离模式。本文选择ETEX-1实验数据进行上千公里的迁移扩散研究,研究CALPUFF模式在长距离条件下的模拟计算结果。结果显示CALPUFF模式可以正确预测放射性烟云的迁移方向,但是模拟浓度范围小于实验数据的覆盖范围,模拟浓度低于实验数据,模式结果与实验数据对比统计参数FOEX为-29.23%,FA2为1.41%,FA5为6.17%,NMSE为193.12%。
5.对于放射性核素在大气中的迁移扩散,模式研究和模式验证同等重要,对于长距离的模式研究,模式验证存在很大的困难。本文在研究大气迁移模式评价研究ATMES (Atmospheric Trans port Model Evaluation Study)计划的基础上,根据ATMES统计理论分析了模式验证的基本统计参数及代表的模式特征,并在模式验证中进行了计算评估。
在放射性核素的不同尺度的迁移扩散研究中,近距离的研究工作比较全面丰富,无论是理论研究还是现场实验研究都有大量的文献报道,近距离的模式验证也易于进行,很多成熟的模式已经运用于核事故的应急响应,但是在长距离扩散模式研究中,模式的验证是一个非常困难的部分。对于现场实验,超过50公里的实验已经需要复杂的条件才能进行,对于上百公里和上千公里的野外现场实验难度及不确定性非常大。而外场实验是模式验证的最基本方法,所获得的数据能真实地反应实际大气对污染物的输送、扩散能力,可以用来验证理论模型的正确性,是模式研究的基础。任何模式只有经过有效性验证分析,才能用于实际应用,即使是一个成熟模式如CALPUFF模式,也必须注意模式的适用条件和范围。实际大气是一个高度复杂的系统,其中的各种过程几乎都是不可重复的,在一些大气环境下,模式有好的模拟结果,但是如果条件变化,可能结果会不同。
【关键词】：
【学位授予单位】：太原理工大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2012【分类号】：X591【目录】：
摘要3-8ABSTRACT8-14目录14-17第一章 综述17-31 1.1 研究背景及选题意义17 1.2 国内外研究现状17-24
1.2.1 大气扩散模式发展历史18-19
1.2.2 气象模式19-20
1.2.3 大气扩散模式20-24
1.2.3.1 高斯烟流模式21-22
1.2.3.2 欧拉模式22
1.2.3.3 拉格朗日模式22-24 1.3 放射性核素迁移扩散模式的主要应用24-25
1.3.1 风险评估24
1.3.2 应急响应24-25
1.3.3 源项估算25 1.4 课题的学术思想、研究目标和研究内容25-27
1.4.1 本课题的学术思想25-26
1.4.2 研究目标和内容26-27 参考文献27-31第二章 CALPUFF模式的研究开发31-63 2.1 CALPUFF模式体系31-46
2.1.1 CALMET模式32-37
2.1.1.1 诊断风场32-34
2.1.1.2 微气象模式34-37
2.1.2 CALPUFF模式理论37-46
2.1.2.1 烟团采样积分37-38
2.1.2.2 扩散参数计算38-41
2.1.2.3 垂直风切变(烟团分裂)计算41
2.1.2.4 对流边界层的P.D.F模拟41-42
2.1.2.5 建筑物下洗效应42
2.1.2.6 烟流抬升的计算42-43
2.1.2.7 水陆交界的扩散43-44
2.1.2.8 干沉积计算44-46
2.1.2.9 湿清除计算46 2.2 CALPUFF模式的开发46-55
2.2.1 源程序结构修改48-49
2.2.2 修改步骤及放射性衰减计算49-51
2.2.2.1 源程序修改步骤49-50
2.2.2.2 放射性衰变耗减的计算50
2.2.2.3 干、湿沉积造成的烟羽耗减50-51
2.2.3 剂量模型建立51-55
2.2.3.1 有效外照射52-54
2.2.3.2 吸入内照射54-55 2.3 CALPUFF-R模式体系55-59 参考文献59-63第三章 放射性核素近距离扩散研究63-91 3.1 现场示踪实验63-65
3.1.1 实验场地和气象资料63-65
3.1.2 实验过程65 3.2 模拟计算65-75
3.2.1 模拟研究技术方案65-66
3.2.2 CALMET模式66-69
3.2.3 CALPUFF模式69-70
3.2.4 扩散参数计算方法70-74
3.2.4.1 PG法70-72
3.2.4.2 相似理论计算72-74
3.2.5 模式验证的统计方法74-75 3.3 结果讨论75-89
3.3.1 风场讨论75-78
3.3.2 不同扩散计算的比较78-83
3.3.3 统计参数分析83-84
3.3.4 不同扩散参数的比较84-87
3.3.4.1 MESOPUFFⅡ扩散参数和实验拟合扩散参数比较84-86
3.3.4.2. 相似理论计算扩散参数和MESOPUFFⅡ比较86-87
3.3.5 不同释放高度的比较87-89 3.4 总结89-90 参考文献90-91第四章 放射性核素中尺度(200-300公里) #75的迁移扩散研究91-115 4.1 日本福岛核事故91-103
4.1.1 模拟研究技术方案92-97
4.1.1.1 气象场模拟92-93
4.1.1.2 浓度场计算93-97
4.1.2. 监测数据97
4.1.3 结果讨论97-102
4.1.3.1 风场对比97-99
4.1.3.2 计算值和监测值的对比99-101
4.1.3.3 HYSPLT和CALPUFF-R的对比101-102
4.1.4. 总结102-103 4.2 用CALPUFF模式模拟太原地区PM10的污染水平103-113
4.2.1 研究方法104-105
4.2.2. 气象模式设定105-106
4.2.3. 扩散模式设定106-107
4.2.4. 风场计算结果107-109
4.2.5. PM10扩散计算结果109-111
4.2.6 与观测数据对比及源强估算111-112
4.2.7. 结果讨论112-113 参考文献113-115第五章 放射性核素的大尺度迁移扩散研究115-133 5.1 ETEX-1实验介绍115-116 5.2 模式设定条件116-128
5.2.1. CALMET模式设定117-119
5.2.2. CALPUFF模式设定119-120
5.2.3. 结果讨论120-124
5.2.3.1. 风场计算结果讨论120-123
5.3.3.2. 浓度分布计算123-124
5.2.4 分析讨论124-128
5.2.4.1 HYSPLIT和FLEXPART模式的结果126-127
5.2.4.2. 轨迹分析127-128 5.3. 浓度结果分析128-133第六章 放射性核素长距离模式的验证方法研究133-147 6.1 模式有效性验证的统计方法(ATMES法)135-138
6.1.1 滤过机制135
6.1.2 统计参数135-138 6.2 集合分析技术在模式验证方面的应用138-143
6.2.1 集合方法分类139-140
6.2.2 集合方法应用分析140-141
6.2.3 集合分析特征统计参数141-142
6.2.4. 集合分析研究现状142-143
6.2.5. 结果讨论143 6.3. 集合技术验证长距离模式143-145 参考文献145-147第七章 结论与展望147-153 7.1 总结论147-151 7.2 对未来工作展望151-153致谢153-155攻读学位期间发表的学术论文目录155-157
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（2）开发的有利和不利条件比较。（5... ④氟氯烃排放&光化学烟雾&臭氧层破坏 ⑤草原遭破坏&沙 尘暴&大气能见度降低 ⑥地...
马大庆 墙面绿化技术及其发展趋势的研究 自然科学 硕士 CXZZ12_0550 南京林业大学 叶... 刘晓慧 长江三角洲地区大气能见度变化特征及其与灰霾的关系研究 自然科学 硕士 CXLX...
江苏省水库50a气候变化与水资源特征分析 陈钰文 项瑛 11 2009年初江苏省干旱过程对小... 第六届长三角气象科技论坛录用论文（摘要部分） 序号 论文题目作者单位1南京市大气污... 钱永甫 赵勇 2 利用最优子集回归和均生函数方法预测汛期降水趋势分布 李东辉 于海龙 郭...
太原市主要大气污染物的变化和输送特征研究 赵恒 南京大学大气科学学院 7 北斗探空测... 何彬方 安徽省气象科学研究所 29 安徽省酸雨发展趋势及其影响因子 石春娥 安徽省气象... 中国科学院大气成分与光学重点实验室 18 后向散射式激光能见度仪的研制 徐赤东 中国科...
和风速（2~7m/s）； 大气稳定。
（1）辐射雾和平流雾中，具有明显季节性特征的是 雾。 （... 12.C 从图中可看出，年全国平均年蒸发量变化总体呈波动下降趋势。其中... ~（4）题。 资料一：雾是悬浮于近地面空气中的大量水滴 或冰晶，使水平能见度小于1千米...
是大气PM2.5的重要组成部分，会形成灰霾，影响大气能见度[4]。 近几年来，华北地区是... 2011年6月[13] 尹沙沙，郑君瑜，张礼俊，等. 珠江三角洲人为氨源排放清单及特征[J]. 环... 3、指导教师情况 姓名姚小红 职称教授 学历博士 开设课程 全球气候变化 研究方向 海洋...
立足综合性科学试验，针对珠三角城市群能见度的变化特征、大气气溶胶的辐射特性与灰... 6.分析了灰霾长期变化趋势，提出灰霾科学判别标准，制定了灰霾观测和预报业务标准，... 热带气象学报，),1-6.引文122。被南京大学刘红年教授、中国环境科学研究院...
根据大气温度随高度垂直变化的特征，将大气分为对流层、平流层、中间层、热层和散逸... 同时还会对大气能见度造成影响。 四、我国大气污染的现状 1、是世界上大气污染物排放... 以华中酸雨区为重。 我国70年代末期，北京、上海、南京、重庆、贵阳等地均出现过，...
如大气环流运动，直接影响海洋上层环流的结构及变化。阐述海面上的各种典型天气系统... &4气象能见度； &5能见度的测量方法 重点 ： 1、影响能见度的因子 2、会推导目标物的亮... 二、盐分的来源 第五节 海洋的划分 一、海和洋的定义及水文特征 二、洋的划分和海的分...
对全国281个地级及以上城市的空气质量现状与变化趋势进行了评估。&中国人民大学环... &光化学污染经常出现，北京、上海、广东、南京等大城市都曾出现过。&南京大学大气... 8 我国空气质量差和极差城市近九成&污染各有特征 10 国家海洋局环境公报：部分近岸...
全球变暖背景下台风季节动力预测和变化趋势预估技术研究 沈新勇 南京信息工程大学 1... 分析本底站和区域内代表城市主要大气成分和大气能见度的演变特征；研究京津冀经济圈...
光化学烟雾导致大气能见度降低；又如密集的高层建筑物和过量的抽取地下水、石油、天... 北宋开始，中国都城进行了一场深刻的变化：打破城内的坊墙，开店设铺，发展贸易，... 中国城市科学研究会 中国城市网www.city188.net 南京大学城市与区域规划系 北京中城国...
天文台选址在南极&&环境质量好，大气能见度高，适宜天文观测 16. 下列有关&世界之... 经济利益相互交错和各国的经济运行机制日益走向一致的一种趋势。其总体特征是各国经... A. 北平 B. 徐州 C. 沈阳 D. 南京 8. 1953年我国提出实现工业化需要相当长的时间，其依据...
强回波动态闪烁、并标出移动方向和强度变化趋势，同时可以与区域站、闪电定位、大气... 达到灾害性天气预警指标库特征值报警。灾害性天气概念模型库概念模型报警。 3、预报... 气温、湿度、风向、风速、降水和能见度等气象数据以及雷达、云图、海洋、探空、闪电...
5.2.4梯度风 5.3地转风随高度的变化，热成风 5.3.1正压大气与斜压大气 5.3.2地转风的铅... 并介绍国际上GIS的发展趋势及有关研究进展。使学生能够独立应用遥感图像处理及地理... 二、盐分的来源 第五节 海洋的划分 一、海和洋的定义及水文特征 二、洋的划分和海的分...
整治重点大气污染企业，加强对特征污染物排放的控制。在南京化学工业园周边建设生态... 采用多模式集合预报方式，对未来24或48小时空气质量变化趋势进行预报，发布二氧化硫... 建立并完善PM2.5、能见度与臭氧等指标监测体系。由气象部门负责开展霾天气预报、预...
的变化规律，又可用于进行区域和城市的空气质量实时预报。已经应用于北京、上海、深... （大气化学和物理一书），所谓物理模式即通过模拟或再现某一尺度的大气特征，来研究... 能直接开展日常业务预报的较少，当前国际上空气污染预报研究的发展趋势是采用先进的...
下图为我国沿30&N几种地理参数随经度的变化趋势示意图，读图，完成3~4题。 3.图中三... 湖滩面积大，水浅 B.湖底砂砾石广布，水质好 C.湖区少有大雾，能见度好 D.湖泊受人类... 丁12.下图是我国四个城市主要工业部门结构示意图，最能说明丁地区工业发展特征的是 ...
霍夫曼在显微镜下观察细胞的变化过程，他发现，老鼠皮的毛囊中明显出现了绿色蛋白质... 它是人们的知识和能力同物质手段相结合，对自然界进行改造的过程。 3.科学精神及特征... 从20世纪70年代以来，全球沙漠化扩展趋势日益加剧。每年有600万公顷土地变为沙漠，...
PM2.5浓度的高低是决定大气能见度的关键因素，同时PM2.5散光是大气能见度下降的最... 适合于表示城市的短期空气质量状况和变化趋势。根据我国空气污染的特点和污染防治重... 广州、深圳、上海、南京、苏州、天津等大城市的灰霾天数也较往年增多。 形成灰霾天气...
王小玲， 翟盘茂. 年中国不同强度级别降水的变化趋势特征[J]. 热带气象学报... 冯婧1,2，周伟灿1，徐影2 1 南京信息工程大学大气科学学院，南京
中国气象局... 24A: 605-610 [4]吴兑， 毕雪岩， 邓雪娇， 等. 珠江三角洲大气灰霾导致能见度下降问题...
出生率呈现{-低-高的变化特征& B.老年人口增加使人口总量减少 C.目前已出现劳动力严... 逆温、相对湿度较低的情况下，随着悬浮颗粒物的增多而导致大气能见度小于10千米的现... ④在认识过程中不断创造历史 A.B.C.D. ③④ 23.2012年10月，南京汉江路上一家理发店...
水汽含量极少，能见度好，天气晴朗，对高空飞行有利 平流层气温基本上不受地面的影响... 气候是指一个地区多年的天气特征。它是由影响大气物理状态的长期变化的因素造成的。... 这对于干旱地区的影响较大；但是，河水的径流量有逐年减少的趋势。通过在河流上修建...
草原对气候变化的适应与风险评估 研究内容：气候变化敏感区草原结构与功能的变化特征... 建立雪情演变空间网格化趋势预报预警技术系统。
影响上海市基础设施的重大气象灾害... 建立融雪型洪水监测、预报、评估服务系统。
南京青奥会场馆小区域强对流天气短时临...
能见度小于10公里的大气现象。 近年珠江三角洲及国内一些区域，因空气质量差，灰霾... 工业区位条件发生了什么深刻的变化，导致&前店后厂&格局逐渐改变，其原因是 。 27.... (1)了解涉及地理的重大时事。 （3）掌握我国区域地理特征。 （5）描述、概括、理解各种地理...
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