基于WRF與田灣核電站外圍監(jiān)控系統的區(qū)域風場模擬對比分析

王萬平，何曼麗，陸繼根，朱曉翔

(江蘇省輻射環(huán)境監(jiān)測管理站，江蘇 南京 210000)

0 引言

核電是清潔、安全的能源，中國目前正在大力發(fā)展核電，將對保障國家能源安全、調整能源結構和改善大氣環(huán)境發(fā)揮重要的作用。雖然核電的危險系數很低，但并不等于零。1979年美國三里島事故、1986年前蘇聯切爾諾貝利核電站事故和2011年日本福島核電站事故是迄今為止僅發(fā)生過的3次影響到周圍環(huán)境和公眾安全的核事故［1］。日本福島核泄漏事故引發(fā)的全球核危機使人們清楚地認識到基于精確氣象條件下放射性污染物擴散預報工作的必要性。事故發(fā)生后，即時地預報中小尺度的風場(提供污染物輸送和擴散)，確切地描述放射性煙云特征(預測煙云的軌跡和散布)是迫在眉睫的應急工作［2－3］。

田灣核電站位于江蘇省連云港市高公島鄉(xiāng)柳河村田灣境內，周邊10km范圍之內地形復雜，由于受海洋的調節(jié)作用，氣候類型既有溫帶季風氣候特征，又有海洋性氣候特征。因此，在受到海陸風、山谷風、大尺度背景風場和地形強迫作用的影響下，核電站周邊三維風場的精細化模擬與預測顯得尤為困難。

通過WRF模式(Weather Research Forecast Model)構建田灣核電站區(qū)域三維精細化風場和放射性污染物擴散預報系統，模擬核事故釋放的污染物在空氣中的遷移和沉降，估算核污染事件影響，可為田灣核電站的核應急提供及時、準確的決策信息［4－5］。

1 WRF模式簡介

國外開發(fā)了多種核應急管理系統，典型的主要包括：在歐共體委員會和德國環(huán)境部支持下開發(fā)的RODOS系統、日本原子能研究所開發(fā)的WSPEEDI系統、美國LLNL(勞倫斯·利弗莫爾國立試驗所)開發(fā)的ARAC系統。中國開發(fā)的核應急管理系統實際上都引進了國外的核應急決策支持系統，做到了引進中有自主開發(fā)，其自主開發(fā)的重點就是大氣風場預報模型和放射性核素擴散模型。

在核應急管理系統中有關風場的預報國內外往往采用兩種方法：其一是利用現場觀測資料構造當地的風場，稱為診斷方法;其二是用數值方法求解加上當地邊界條件的空氣動力學方程組，稱為預報方法。但這兩種方法基本都沒有引入現今業(yè)務化運行的中小尺度數值天氣預報模型，如WRF、MM5、RAMS、ARPS等，其對風場的預報精細程度明顯低于這些先進的業(yè)務化數值天氣預報模型，但其對計算機的性能要求較低。隨著計算機技術的飛速發(fā)展，數值天氣預報的時效性得到了大大提高，利用WRF等先進氣象預報模式可以及時提供精細化的預報風場。

WRF模式是由美國的NCAR中小尺度氣象處、NCEP的環(huán)境模擬中心、FSL的預報研究處和奧克拉荷馬大學的風暴分析預報中心等多個研究部門及大學的科學家共同參與開發(fā)研究的新一代中尺度預報模式和同化系統，以便代替和更新現行的如 NCAR的 MM5、NCEP的 ETA和 NOAA/FSL的RUC數值模擬和預報系統。

WRF和MM5都是先進的中尺度數值模式，但是兩者的差別也是顯而易見的。WRF是新一代細網格中尺度模式，它的設計原則是規(guī)范化、模塊化、標準化，因而它將很好地適應從理想化的研究到業(yè)務預報等應用的需要［6］。同時，WRF模式是新一代的高分辨率中尺度模式，它的時、空分辨率更高。WRF的物理過程很多都是取自于MM5，但與MM5模式相比，WRF的物理過程更復雜和趨于真實。

2 研究內容

田灣核電站外圍監(jiān)控系統目前尚未開發(fā)核污染擴散預報功能，為了構建田灣核電站區(qū)域大氣風場和核污染擴散預報系統，需要研發(fā)3個模塊：精細化風場預報模塊，放射性污染物遷移擴散模塊以及大氣風場和核污染擴散濃度分布動態(tài)演示模塊。其中風場預報模塊是國內外各種核應急管理系統中的核心，通過WRF模式模擬田灣核電站區(qū)域精細化風場，構建近場核污染擴散預報系統(圖1)。風場預報模塊研究步驟如下：

(1)收集田灣核電站場內2005年1月—2012年8月的近地層氣象觀測數據以及同時段的NCEP再分析資料;

(2)利用EOF方法對NCEP再分析資料進行時空分解，得出每個月的第一模態(tài)空間型和時間序列;

(3)根據步驟(2)得出的結果，結合天氣學原理，選擇冬春與夏秋半年的典型氣象場;

(4)利用田灣核電站場內2005年1月—2012年8月的近地層氣象觀測數據，計算大氣穩(wěn)定度指數梯度理查森數Ri，綜合步驟(3)篩選的結果，選擇2個時段(冬春大氣較為穩(wěn)定，夏秋較為不穩(wěn)定，且符合EOF分析的空間型)，作為研究案例;

(5)在大型機上安裝WRF模式運行所需的環(huán)境，如PGI、NETCDF等。安裝調試 WRF模式，并設置相關模式參數;

(6)將上述2個案例各72 h的NCEP再分析資料(0.5°×0.5°)作為 WRF 模式初始場，設置模式參數，模擬計算氣象要素場;

(7)將數值模式模擬的風場與NCEP再分析資料中的風場進行對比驗證，如果模擬結果合理可信，就將模擬的氣象要素場輸出作為氣象背景場;否則，調整模式參數再進行敏感性試驗，直到模擬結果與NCEP再分析資料對比合理可信為止。

圖1 風場預報模塊

3 WRF模式的安裝與調試

WRF模式系統包括前處理模塊、主模塊和后處理模塊。前處理模塊WPS完成選取模擬區(qū)域的范圍、網格設置、資料預處理等;主模塊為WRF模塊，完成模式的預報和模擬功能;后處理模塊有ARWpost，將WRF中的輸出結果進行數據轉換以便分析。

利用中尺度氣象模式WRF 3.1對2012年5月2日—5月5日、2012年8月10日—8月13日2個時段的氣象要素場進行了數值模擬，模式初邊界數據利用的是0.5°×0.5°的NCEP在分析資料，模式參數設置見表1。

表1 WRF模式參數設置①

4 區(qū)域風場模擬對比分析

選取2個冬夏典型氣象場及不同大氣穩(wěn)定度的個例，利用上述中尺度氣象模式WRF 3.1的參數設置，進行了數值模擬。試驗一的模擬時段為2012年5月2日00時—5月5日00時，試驗二的模擬時段為2012年8月10日00時—8月13日00時。

圖2—4，分別為試驗一中925，850，500 hpa風場，每個表格中左列為NCEP再分析資料風場，右列為模式模擬的風場。分別對比模式模擬的24，48和72 h的結果，可以看出模擬結果與NCEP再分析場基本一致，模擬結果可信。

圖5—6，分別為試驗二中925，850，500 hpa風場，左列為NCEP再分析資料風場，右列為模式模擬風場。分別對比模式模擬的24，48和72 h的結果，可以看出模擬結果與NCEP再分析場基本一致，模擬結果可信。

通過對WRF模式模擬結果的對比分析，核擴散預報模塊的模擬結果和NCEP再分析場基本一致，各項模擬結果可信，可以用于田灣核電站外圍監(jiān)控系統輸出精確的風場預報數據，為核擴散預報模型提供基礎氣象場。

圖2 試驗一(2012年5月2日00時—5月5日00時)925 hpa風場模擬結果檢驗

圖3 試驗一(2012年5月2日00時—5月5日00時)850 hpa風場模擬結果檢驗

圖4 試驗一(2012年5月2日00時—5月5日00時)700 hpa風場模擬結果檢驗

圖5 試驗二(2012年8月10日00時—8月13日00時)925 hpa風場模擬結果檢驗

圖6 試驗二(2012年8月10日00時—8月13日00時)850 hpa風場模擬結果檢驗

圖7 試驗二(2012年8月10日00時—8月13日00時)700 hpa風場模擬結果檢驗

5 結語

2011年日本福島核電站事故再次給全世界尤其是有核國家敲響了警鐘，使人們清楚地認識到核應急計劃和核應急準備的必要性。核應急決策支持系統中核心模塊就是風場預報和濃度預測系統，風場預報又是濃度預測的基礎［7］。

對于江蘇省田灣核電站而言，該區(qū)域有著特定的地理和氣候條件，精細化三維風場的預測難度較大，隨著中小尺度數值天氣預報技術和計算機技術的飛速發(fā)展，通過WRF模式構建田灣核電站區(qū)域氣象預報系統，可為江蘇省建設先進的核應急決策支持系統提供堅實的理論基礎和技術支持［8］。

［1］IAEA.Generic Procedures for monitoring in a nuclear or radiological emergency IAEA －TECDOC －1092［S］.

［2］潘自強.核能發(fā)展與事故應急［J］.輻射防護，2007，27(1)：1.

［3］夏恒新.核輻射監(jiān)測技術的形勢與發(fā)展［J］.放化研究，2005(3)：32.

［4］陸繼根，王鳳英，朱曉翔，等.江蘇省核輻射突發(fā)事件的預警監(jiān)測體系［J］.環(huán)境監(jiān)控與預警，2011，3(2)：5 －8.

［5］朱曉翔，陸繼根.核應急輻射環(huán)境監(jiān)測的響應和準備［J］.環(huán)境監(jiān)控與預警，2011，3(3).

［6］陳曉秋.核事故應急響應行動對數值天氣預報的需求［J］.輻射防護通訊，2002，22(4)：27－33.

［7］曲靜原，王醒宇，薛大知，等.關于我國核應急決策支持系統建設的實施建議［J］.輻射防護，2003(6).

［8］林雪清，曹建主，曲靜原，等.國家環(huán)?？偩趾耸鹿屎蠊u價與預測系統的設計與開發(fā)［J］.輻射防護，2006(2).