核素迁移扩散模型LPAM对URBAN2000示踪实验的模拟分析

核素迁移扩散模型LPAM对URBAN2000示踪实验的模拟分析

赵多新

（中国辐射防护研究院核环境研究所 山西 太原 030600）

摘 要本文以美国能源部（DOE）和国家核安全局（NNSA）的化学和生物国家安全计划发起的URBAN2000实验为对象，采用自研的拉格朗日粒子模型LPAM对其中的第9次、第10次实验进行模拟分析。文中比较了两次实验的采样结果与模拟结果，采用吻合度、相关系数等指标对模型模拟效果进行了评价，平均偏差以及偏差份数显示模拟结果相对采样结果整体偏小，比值总体统计不超过3.5倍的比例分别为54.4%、50.5%。对观测浓度与模拟浓度进行排序，排序图中从高值到1e-7左右范围内，模拟结果与观测结果分布基本在对角线附近，可见模型对采样点浓度模拟结果的分布是合理的。

关键词：拉格朗日粒子模型URBAN2000示踪实验 模拟 有效性

1 引言

核事故后果评价系统的大气迁移扩散模型有效性评价中，通过与大气扩散示踪实验进行比较是国内外学者对大气扩散程序进行评价的一般方法。国内外机构也开展了一系列的模式有效性验证工作，同时开发了一些用于模式验证的工具。如荷兰国家公共健康与环境研究院（RIVM）开发的MVT工具包，该工具包使用了平均偏差、几何平均偏差、相关系数等9个统计指标给出一个总体评分，范围在0~100之间，0表示最好，100为最差；MVK是丹麦国家环保局环境研究所开发的模型验证工具，该工具包含了Kincaid、Indianapolis、Copenhagen、Lillestrom大气扩散示踪实验，用大气扩散模型对以上现场示踪实验进行模拟，采用MVK程序对模拟效果进行评价，包括定量统计及残差分析（定量分析指标有平均值、标准偏差、平均偏差、偏差份数、几何平均偏差、标准化均方误差、几何平均方差、相关系数、比例方差、吻合度因子，残差分析为预测浓度值和观测浓度值的比值[1]。

URBAN2000是美国国家核安全局（NNSA）的化学和生物国家安全计划（CBNP）发起的关于气象和现场示踪实验的项目，URBAN项目于2000年10月在盐湖城开展，实验包括揭示市中心建筑周围、市中心内部和穿过市中心以及进入大盐湖城城市区域的输运扩散的特征，其结果可用于了解控制城市地区扩散的气象和流体动力学过程，最终为CBNP研究人员开发的大气扩散模型提供评估和改进的依据。URBAN2000实验结合了美国能源局VTMX项目，使得开展的实验包括了建筑物、城市、城市-郊区尺度的迁移扩散特征。实验开展包含了夜间的7天时间，采样覆盖了地面、建筑物不同高度处的浓度分布。最终实验形成12套实验数据，其中包含了1次48小时的采样过程，2次12小时的采样过程，1次14小时的采样过程，3次6小时的采样过程，2次3小时的采样过程以及3次50分钟的采样过程[2]。

为了评价核素迁移扩散模型LPAM的模拟效果，采用模型对URBAN2000的第9、第10次实验进行了模拟，将模拟结果与观测结果进行了对比，为模型的使用及开发提供参考。

2 研究内容

2.1 LPAM模型介绍

    LPAM模型是一个用于中小尺度范围核素迁移扩散评价的扩散模型，该模型采用了不同的湍流参数化方案、浓度计算方案，可实现复杂环境、可变气象条件下的核素迁移扩散模拟。模型最终可给出不同核素在地面的瞬时空气浓度分布、时间积分浓度分布、干、湿沉积浓度以及空气、地面的有效伽马剂量率分布信息和烟云到达时间的信息。模型已用于多个中小尺度核事故后果评价系统的开发。

2.2 大气扩散示踪实验

选取URBAN2000实验中的第9次、第10次实验进行模拟。URBAN2000的采样点包括城市街区的点与野外弧线上的采样点，在使用粒子模型进行模拟的过程中，以实验数据中野外弧线的采样点为对象，模拟期间地形以及采样点分布如图1所示。选取试验期间三个地面气象站的观测数据为输入，采用一个诊断模型对实验期间的风场进行模拟，将模拟结果作为扩散模拟的输入。两次试验的释放情况如图2所示，采样袋采样时间为每半小时开始采样，采样时间为半小时，每个采样点包括十次采样，在比对过程中对模拟结果与采样结果均有值的点进行比较。

图1 模拟区域地形及采样点分布

图2  IOP#9IOP#9（左）和IOP#10（右）的释放率

2.3 实验模拟结果

    对模拟结果与观测结果进行点对点比较，对所有采样点上浓度的模拟效果进行评价，同时对三条弧线每次采样出现的最大浓度与模拟结果比较，对大气扩散粒子模型在实际应用中的适用性进行分析。图3 为模拟的第9、第10次实验的浓度分布，表1维模拟结果的统计指标。从统计指标可以看出模拟结果与观测结果两者比值不超过10倍的个数占总数的比例分别为84.8%、81.0%；比值不超过5倍的比例分别为68.4%、57.9%；比值不超过3.5倍的比例分别为54.4%、50.5%；比值不超过2倍的比例分别为38.0%、27.4%。从平均偏差以及偏差份数可以看出模拟结果相对采样结果整体偏小，由于模拟过程中，部分模拟结果的烟流走向与采样结果的烟流走向存在差异，且实验期间采样点浓度的采样时间为30min，因此对于烟云边缘采样结果的平均会出现模拟结果低于观测结果较多的情况。

图3 LPAM对IOP#9（左）和IOP#10（右）的模拟结果

表1 两次实验的模拟结果

图4为模拟结果与采样结果的排序。从采样点观测浓度排序及模拟浓度排序的比较中即可看出，排序图中从高值到1e-7左右范围内，模拟结果与观测结果分布基本在对角线附近，可见模型对采样点浓度模拟结果的分布是合理的。

图4  IOP#9（左）和IOP#10（右）浓度排序结果

   图5为IOP #9、IOP #10模拟弧线最大浓度结果与观测弧线最大浓度比较。如图1中所示，采样点弧线共3条，选取每次采样各条弧线上浓度最高的值与相应的模拟结果进行比较，整体上粒子模型模拟的最大浓度相对采样结果略低，但是不存在量级差异。同时可以看出两次试验最大浓度比值在10倍以内以及3.5倍以内的点的百分比明显高于点对点的结果，特别是IOP #10大部分的最大浓度值比值均位于3.5倍以内。

图5  IOP#9（左）和IOP#10（右）轴线浓度比较结果

3 结论

    本分利用自研核素迁移扩散评价模型LPAM对美国URBAN2000示踪实验中的第9、第10次实验进行了模拟。从模拟结果的整体来看，模拟结果与观测结果两者比值不超过10倍的个数占总数的比例分别为84.8%、81.0%；比值不超过5倍的比例分别为68.4%、57.9%；比值不超过3.5倍的比例分别为54.4%、50.5%；比值不超过2倍的比例分别为38.0%、27.4%。整体模拟浓度排序图显示，模拟结果与观测结果分布基本在对角线附近。每次采样各条弧线上浓度最高的值与相应的模拟结果进行比较，整体上粒子模型模拟的最大浓度相对采样结果略低，但是不存在量级差异，特别是IOP #10大部分的最大浓度值比值均位于3.5倍以内。

参考文献

[1]邹敬,曲静原,曹建主.大气扩散模型验证与比对的工具和方法[J].辐射防护通讯, 2004, 24(5):6.DOI:10.3969/j.issn.1004-6356.2004.05.004.

[2] ALLWINE K J，SHINN J H，STREIT G E et al.Overview of Urban 2000: a multiscale field study of dispersion through an urban environment[J].B Am Meteorol Soc，2002，83(4): 521-536.