基于WRF与田湾核电站外围监控系统的区域风场模拟对比分析

王万平，何曼丽，陆继根，朱晓翔

(江苏省辐射环境监测管理站，江苏 南京 210000)

0 引言

核电是清洁、安全的能源，中国目前正在大力发展核电，将对保障国家能源安全、调整能源结构和改善大气环境发挥重要的作用。虽然核电的危险系数很低，但并不等于零。1979年美国三里岛事故、1986年前苏联切尔诺贝利核电站事故和2011年日本福岛核电站事故是迄今为止仅发生过的3次影响到周围环境和公众安全的核事故［1］。日本福岛核泄漏事故引发的全球核危机使人们清楚地认识到基于精确气象条件下放射性污染物扩散预报工作的必要性。事故发生后，即时地预报中小尺度的风场(提供污染物输送和扩散)，确切地描述放射性烟云特征(预测烟云的轨迹和散布)是迫在眉睫的应急工作［2－3］。

田湾核电站位于江苏省连云港市高公岛乡柳河村田湾境内，周边10km范围之内地形复杂，由于受海洋的调节作用，气候类型既有温带季风气候特征，又有海洋性气候特征。因此，在受到海陆风、山谷风、大尺度背景风场和地形强迫作用的影响下，核电站周边三维风场的精细化模拟与预测显得尤为困难。

通过WRF模式(Weather Research Forecast Model)构建田湾核电站区域三维精细化风场和放射性污染物扩散预报系统，模拟核事故释放的污染物在空气中的迁移和沉降，估算核污染事件影响，可为田湾核电站的核应急提供及时、准确的决策信息［4－5］。

1 WRF模式简介

国外开发了多种核应急管理系统，典型的主要包括：在欧共体委员会和德国环境部支持下开发的RODOS系统、日本原子能研究所开发的WSPEEDI系统、美国LLNL(劳伦斯·利弗莫尔国立试验所)开发的ARAC系统。中国开发的核应急管理系统实际上都引进了国外的核应急决策支持系统，做到了引进中有自主开发，其自主开发的重点就是大气风场预报模型和放射性核素扩散模型。

在核应急管理系统中有关风场的预报国内外往往采用两种方法：其一是利用现场观测资料构造当地的风场，称为诊断方法;其二是用数值方法求解加上当地边界条件的空气动力学方程组，称为预报方法。但这两种方法基本都没有引入现今业务化运行的中小尺度数值天气预报模型，如WRF、MM5、RAMS、ARPS等，其对风场的预报精细程度明显低于这些先进的业务化数值天气预报模型，但其对计算机的性能要求较低。随着计算机技术的飞速发展，数值天气预报的时效性得到了大大提高，利用WRF等先进气象预报模式可以及时提供精细化的预报风场。

WRF模式是由美国的NCAR中小尺度气象处、NCEP的环境模拟中心、FSL的预报研究处和奥克拉荷马大学的风暴分析预报中心等多个研究部门及大学的科学家共同参与开发研究的新一代中尺度预报模式和同化系统，以便代替和更新现行的如 NCAR的 MM5、NCEP的 ETA和 NOAA/FSL的RUC数值模拟和预报系统。

WRF和MM5都是先进的中尺度数值模式，但是两者的差别也是显而易见的。WRF是新一代细网格中尺度模式，它的设计原则是规范化、模块化、标准化，因而它将很好地适应从理想化的研究到业务预报等应用的需要［6］。同时，WRF模式是新一代的高分辨率中尺度模式，它的时、空分辨率更高。WRF的物理过程很多都是取自于MM5，但与MM5模式相比，WRF的物理过程更复杂和趋于真实。

2 研究内容

田湾核电站外围监控系统目前尚未开发核污染扩散预报功能，为了构建田湾核电站区域大气风场和核污染扩散预报系统，需要研发3个模块：精细化风场预报模块，放射性污染物迁移扩散模块以及大气风场和核污染扩散浓度分布动态演示模块。其中风场预报模块是国内外各种核应急管理系统中的核心，通过WRF模式模拟田湾核电站区域精细化风场，构建近场核污染扩散预报系统(图1)。风场预报模块研究步骤如下：

(1)收集田湾核电站场内2005年1月—2012年8月的近地层气象观测数据以及同时段的NCEP再分析资料;

(2)利用EOF方法对NCEP再分析资料进行时空分解，得出每个月的第一模态空间型和时间序列;

(3)根据步骤(2)得出的结果，结合天气学原理，选择冬春与夏秋半年的典型气象场;

(4)利用田湾核电站场内2005年1月—2012年8月的近地层气象观测数据，计算大气稳定度指数梯度理查森数Ri，综合步骤(3)筛选的结果，选择2个时段(冬春大气较为稳定，夏秋较为不稳定，且符合EOF分析的空间型)，作为研究案例;

(5)在大型机上安装WRF模式运行所需的环境，如PGI、NETCDF等。安装调试 WRF模式，并设置相关模式参数;

(6)将上述2个案例各72 h的NCEP再分析资料(0.5°×0.5°)作为 WRF 模式初始场，设置模式参数，模拟计算气象要素场;

(7)将数值模式模拟的风场与NCEP再分析资料中的风场进行对比验证，如果模拟结果合理可信，就将模拟的气象要素场输出作为气象背景场;否则，调整模式参数再进行敏感性试验，直到模拟结果与NCEP再分析资料对比合理可信为止。

图1 风场预报模块

3 WRF模式的安装与调试

WRF模式系统包括前处理模块、主模块和后处理模块。前处理模块WPS完成选取模拟区域的范围、网格设置、资料预处理等;主模块为WRF模块，完成模式的预报和模拟功能;后处理模块有ARWpost，将WRF中的输出结果进行数据转换以便分析。

利用中尺度气象模式WRF 3.1对2012年5月2日—5月5日、2012年8月10日—8月13日2个时段的气象要素场进行了数值模拟，模式初边界数据利用的是0.5°×0.5°的NCEP在分析资料，模式参数设置见表1。

表1 WRF模式参数设置①

4 区域风场模拟对比分析

选取2个冬夏典型气象场及不同大气稳定度的个例，利用上述中尺度气象模式WRF 3.1的参数设置，进行了数值模拟。试验一的模拟时段为2012年5月2日00时—5月5日00时，试验二的模拟时段为2012年8月10日00时—8月13日00时。

图2—4，分别为试验一中925，850，500 hpa风场，每个表格中左列为NCEP再分析资料风场，右列为模式模拟的风场。分别对比模式模拟的24，48和72 h的结果，可以看出模拟结果与NCEP再分析场基本一致，模拟结果可信。

图5—6，分别为试验二中925，850，500 hpa风场，左列为NCEP再分析资料风场，右列为模式模拟风场。分别对比模式模拟的24，48和72 h的结果，可以看出模拟结果与NCEP再分析场基本一致，模拟结果可信。

通过对WRF模式模拟结果的对比分析，核扩散预报模块的模拟结果和NCEP再分析场基本一致，各项模拟结果可信，可以用于田湾核电站外围监控系统输出精确的风场预报数据，为核扩散预报模型提供基础气象场。

图2 试验一(2012年5月2日00时—5月5日00时)925 hpa风场模拟结果检验

图3 试验一(2012年5月2日00时—5月5日00时)850 hpa风场模拟结果检验

图4 试验一(2012年5月2日00时—5月5日00时)700 hpa风场模拟结果检验

图5 试验二(2012年8月10日00时—8月13日00时)925 hpa风场模拟结果检验

图6 试验二(2012年8月10日00时—8月13日00时)850 hpa风场模拟结果检验

图7 试验二(2012年8月10日00时—8月13日00时)700 hpa风场模拟结果检验

5 结语

2011年日本福岛核电站事故再次给全世界尤其是有核国家敲响了警钟，使人们清楚地认识到核应急计划和核应急准备的必要性。核应急决策支持系统中核心模块就是风场预报和浓度预测系统，风场预报又是浓度预测的基础［7］。

对于江苏省田湾核电站而言，该区域有着特定的地理和气候条件，精细化三维风场的预测难度较大，随着中小尺度数值天气预报技术和计算机技术的飞速发展，通过WRF模式构建田湾核电站区域气象预报系统，可为江苏省建设先进的核应急决策支持系统提供坚实的理论基础和技术支持［8］。

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

［2］潘自强.核能发展与事故应急［J］.辐射防护，2007，27(1)：1.

［3］夏恒新.核辐射监测技术的形势与发展［J］.放化研究，2005(3)：32.

［4］陆继根，王凤英，朱晓翔，等.江苏省核辐射突发事件的预警监测体系［J］.环境监控与预警，2011，3(2)：5 －8.

［5］朱晓翔，陆继根.核应急辐射环境监测的响应和准备［J］.环境监控与预警，2011，3(3).

［6］陈晓秋.核事故应急响应行动对数值天气预报的需求［J］.辐射防护通讯，2002，22(4)：27－33.

［7］曲静原，王醒宇，薛大知，等.关于我国核应急决策支持系统建设的实施建议［J］.辐射防护，2003(6).

［8］林雪清，曹建主，曲静原，等.国家环保总局核事故后果评价与预测系统的设计与开发［J］.辐射防护，2006(2).