Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Метод учета метеорологических условий в задачах оценивания экологических последствий аварий на объектах атомной энергетики

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Метод учета метеорологических условий в задачах оценивания экологических последствий аварий на объектах атомной энергетики"

Министерство общего и профессионального образования > Российской Федерации

Российский Государственный Гидрометеорологический Университет

На правах рукописи УДК 551.510.42

ПРОСКУРНИН Евгений Дмитриевич

МЕТОД УЧЕТА МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ В ЗАДАЧАХ ОЦЕНИВАНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОСЛЕДСТВИЙ АВАРИЙ НА ОБЪЕКТАХ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

11.00.09 - Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена в Военной инженерно-космической академии имени А.Ф. Можайского

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

профессор Солдатенко С.А.

Официальные оппоненты:

- доктор физико-математических наук Белоцерковский A.B.

- кандидат технических наук Макаров A.B.

Ведущая организация: Калининградский государственный университет

Защита состоится « _» ^g^-puL 199Sr. в часов

на заседании Совета по защите диссертаций Д.063.19.02 при Российском государственном гидрометеорологическом университете по адресу: 195196, Санкт-Петербург, Малоохтенский пр., 98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного гидрометеорологического университета.

Автореферат разослан « у> ¿c&jz-fij? 199Ä г.

Ученый секретарь Совета

по защите диссертаций Д.063.19.02

доктор физико-математических наук, профессор

Л.И. ДИВИНСКИЙ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Немногим более десяти лет прошло с того момента, когда весь цивилизованный мир содрогнулся от катастрофы, произошедшей в Чернобыле. Масштабы и последствия этой катастрофы оказались столь значительны, что и до настоящего времени продолжают будоражить как общественное мнение, так и занимать умы ученых, политиков, общественных деятелей и простых людей.

Трагедия в Чернобыле дала серьезные основания для дискуссий о целесообразности дальнейшего развития ядерной энергетики. Однако в настоящее время превалирующей является точка зрения, что альтернативы ядерной энергетики у человечества нет. Коль скоро это так, то возникают две очень важные проблемы, первая из которых связана с оцениванием риска возможных аварий на объектах атомной энергетики, а вторая - с оцениванием возможных последствий аварий (пусть даже маловероятных) на объектах атомного энергетического цикла. Ученые различных стран мира дают однозначный ответ о возможности безопасного и экономичного использования ядерной энергии. Вместе с тем не вызывает сомнения тот факт, что на АЭС и примыкающей к ним территории существует потенциальная опасность радиационных поражений человека, нежелательных воздействий на эколого-экономические системы, а значит имеет место радиационный риск. Полностью исключить возможность возникновения катастроф, подобных Чернобыльской, нельзя в силу вероятностной природы техногенных аварий на АЭС.

В связи с этим представляется достаточно важным иметь априорную информацию об экологических последствиях возможных (пусть даже маловероятных) аварий и катастроф, которые могут произойти на объектах атомной энергетики.

Масштабы последствий аварий на АЭС в значительной степени зависят от фактических метеорологических условий в момент аварии, а также от последующего развития метеорологических процессов. Поэтому при решении задач оценивания масштабов радиоактивного загрязнения окружающей среды, возникающего в результате аварий на АЭС, особые требования предъявляются к информационному метеорологическому обеспечению и учету реальных метеоусловий.. В данной работе рассматриваются вопросы совершенствования методов учета метеорологических условий в задачах анализа и прогнозирования радиационной обстановки и оценивания экологических последствий аварий и катастроф на АЭС и других объектах, оснащенных ядерными реакторами.

Итак, актуальность - настоящей диссертационной работы

обусловлена:

1. Необходимостью разработки методов информационного метеорологического обеспечения при анализе и прогнозировании экологических последствий аварий на АЭС.

3

2. Потребностью создания методов прогнозирования экологических последствий и радиационной обстановки возможных аварий и катастроф на АЭС с учетом реальной метеорологической обстановки.

3. Необходимостью повышения достоверности результатов анализа и прогноза радиационной обстановки и экологических последствий возможных аварий на объектах атомной энергетики.

Цель работы. Разработать метод учета метеорологических условий в задачах информационного метеорологического обеспечения диагноза и прогноза радиационной обстановки и экологических последствий аварий и катастроф на объектах ядерного энергетического цикла. Задачи исследования:

1. Анализ современного состояния исследований в области учета метеорологических эффектов при анализе и прогнозировании радиационной обстановки и оценивании экологических последствий аварий на АЭС.

2. Разработка математической модели трансформации в атмосфере радионуклидов, а также метода ее численной реализации.

3. Разработка математической модели метеорологического режима и ее численной реализация.

4. Параметризация процессов поступления в атмосферу радионуклидов (источников радиоактивного заражения окружающей среды).

5. Проведение численных экспериментов и их анализ с целью определения степени адекватности математических моделей.

6. Разработка метода учета метеорологических условий в задачах оценивания экологических последствий аварий на АЭС.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней предложен метод учета метеоусловий при оценивании и прогнозировании радиационной обстановки и экологических последствий аварий и катастроф на АЭС. При этом основой метода служат гидродинамические модели метеорологического режима и процессов трансформации радиоактивных аэрозольных образований на пространственно-временных масштабах от локального до регионального.

Практическая значимость работы состоит в том, что предложенный метод учета реальной метеорологической обстановки дает возможность повысить качество диагноза и прогноза степени радиоактивного загрязнения природной среды в результате аварий на АЭС и других объектах, оснащенных ядерными реакторами.

Основные положения, выносимые на защиту: 1. Метод учета метеорологических условий при анализе и прогнозе масштабов радиоактивного загрязнения природной среды и оценивании экологических последствий аварий и катастроф на объектах ядерного энергетического цикла. 2. Имитационный моделирующий комплекс (совокупность математических моделей метеорологического режима и процессов трансфор-

4

мации радиоактивных аэрозольных образований), позволяющий осуществлять численные эксперименты по воспроизведению процессов распространения радиоактивных аэрозольных образований в атмосфере и их осаждения на подстилающую поверхность. Апробация работы. Результаты исследований докладывались на НТК «Проблемы прикладной геофизики» (С.-Петербург, 1993), семинарах кафедр в ВИКА им.А.Ф.Можайского и РГТМИ.

Результаты диссертации опубликованы в 4 работах. Структурно диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка литературы. Работа изложена на 118 страницах машинописного текста.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы, определены цель и задачи исследования. Сформулирована научная новизна и практическая значимость работы. Перечислены основные положения, выносимые на защиту.

1. Анализ состояния вопроса и постановка задачи исследования Авария на Чернобыльской АЭС и связанный с ней выход в окружающую природную среду радионуклидов усилили интерес ученых, как нашей страны, так и зарубежных к метеорологическим аспектам переноса радионуклидов в атмосфере р к математическому моделированию радиоактивного загрязнения природной среды. Уже в 1986 г. появились первые зарубежные работы по математическому моделированию распространения в атмосфере и осаждения на поверхность земли радионуклидов от Чернобыльской АЭС в различных пространственно-временных масштабах, вплоть до глобального (A.Andrassi, L.Anvera, R.Goverts, MDicker).

Далее была опубликована серия работ отечественных ученых (Ю.А.Израэль, В.Н.Петров, Д.А.Северов, Ю.С.Седунов, В.А.Борзилов и др.). Для математического моделирования радиоактивных выпадений в ближней зоне от места аварии, а также в дальней зоне использовались различные модели: траекторные, мезомасштабные эйлеровые, региональные (эйлерово-лагранжевые), трансграничные (в том числе основанные на методе Монте-Карло). С помощью моделей были рассчитаны площади радиоактивных выпадений на различных расстояниях от источника. При этом, с целью улучшения согласия фактических и рассчитанных данных применялась процедура подбора параметров логнормального распределения частиц по размерам.

В качестве входной метеорологической информации в модели были использованы данные шаропилотных наблюдений о направлении и скорости ветра в аэропортах Киева (Жуляны, Борисполь), Мозыря, Гомеля, Чернигова и данные радиозондирования в Киеве, а также стандартные,

прошедшие процедуру объективного анализа (ОА) в Гидрометцентре, данные для приземных давления и температуры, геопотенциальных высот, скоростей реального ветра и температур на стандартных изобарических поверхностях (925, 850 и 700 гПа) в узлах сетки 150x150 км.

Восстановление параметров источника (дисперсный и радионуклидный составы, начальное распределение выброса по высоте, активность выброса) осуществлялась путем решения обратной задачи по имеющимся экспериментальным данным о плотности загрязнения территории радионуклидами с использованием некоторой априорной информации о наиболее вероятном дисперсном составе радиоактивной примеси и о возможном вертикальном распределении источника по высоте.

Модельные расчеты в целом обнаруживают согласие с результатами фактических измерений. Однако фактические данные характеризуются значительно большей изменчивостью (пестротой), нежели-• модельные результаты. Такое положение дел характерно и для других ■численных экспериментов, в том числе и выполненных за рубежом.

Таким образом, несмотря на то, что Чернобыльская трагедия стала инициатором целого ряда исследований, связанных с математическим моделированием распространения радионуклидов и определением на этой основе уровня заражения окружающей природной среды, на сегодняшний день весьма актуальными остаются вопросы «физического наполнения» математических моделей и построения в некотором смысле универсального моделирующего комплекса, пригодного для использования при различных реальных и гипотетических ситуациях.

Метеорологические условия существенно влияют на процессы формирования радиоактивного аэрозольного (РАО) облака как в случае мощного «выхлопа», так и при последующем мало интенсивном поступлении радионуклидов в атмосферу (если произошла достаточно серьезная авария).

Для определения высоты подъема радиоактивных аэрозольных образований (этот процесс происходит за счет перегрева газов внутри струи относительно окружающего воздуха) можно воспользоваться известными методиками (например, Л.Т.Матвеев, 1965).

После того, как РАО сформировалось, вступают в действие другие метеорологические факторы, приводящие к его эволюции: адвективный перенос, вертикальные движения воздуха (конвективные и упорядоченные), турбулентная диффузия (горизонтальная и вертикальная), влажное осаждение (вымывание осадками, облаками, туманами).

Важнейшими факторами, определяющими изменение концентрации примеси, являются адвекция и горизонтальный турбулентный обмен. На начальном этапе своей эволюции (локальный и мезометеорологический масштабы) влияние турбулентной диффузии может быть весьма существенно и вполне сопоставимо с влиянием адвективного переноса. В то

же время уже на а-мезо-метеорологическом и тем более больших масштабах адвективный перенос доминирует над турбулентной диффузией.

На синоптических пространственно-временных масштабах существенно влияют на динамику РАО синоптические вихри. Изучение адвективного переноса динамически пассивных примесей бароклинными сингулярными геострофическими вихрями в атмосфере показывает, что наличие возмущений типа СВ в зональном потоке может принципиально изменить характер переноса примеси как на масштабах порядка радиуса деформации Россби, так и глобально.

Математические модели атмосферы, позволяющие смоделировать (спрогнозировать) поле движения, имеют дискретную пространственную структуру. Не исключено, что РАО на начальном этапе своей эволюции попадут в подсеточный масштаб и таким образом описание их динамики на эйлеровой сетке окажется невозможным. Теоретические рассуждения позволяют заключить, что на сетке с шагом Л; можно «уловить» возмущения, имеющие размер не менее 2А$. Однако имеющийся опыт численного моделирования свидетельствует, что достаточно адекватное описание возмущения происходит только тогда, когда его размер захватывает не менее 4-6 шагов сетки. Поэтому вполне оправдано сочетание эйлерового и лагранжевого подходов к описанию динамики РАО, либо использование технологии телескопизации моделей.

Влияют на эволюцию примеси в атмосфере и-вертикальные движения, как конвективного характера, так и обусловленные крупномасштабным барическим полем (восходящие в ложбинах и циклонах, нисходящие - в гребнях и антициклонах).

Влияние вертикального турбулентного перемешивания на эволюцию примеси особенно важно в ПСА, хотя и в свободной атмосфере вертикальная турбулентная диффузия является весьма важным фактором, пренебрегать которым при численном моделировании нецелесообразно.

Концентрация радионуклидов в атмосфере существенно изменяется под влиянием естественных облаков, туманов и осадков. Радионуклиды захватываются облачными каплями (кристаллами) и в последующем осаждаются в виде осадков. Захват частиц аэрозоля падающими гидрометеорами может происходить и непосредственно в подоблачном слое (влажное вымывание осадками). Аэрозольные частицы в поле водяного пара служат ядрами конденсации, что зачастую приводит к их укрупнению и, как следствие, к более интенсивной седиментации. Перечисленные механизмы являются наиболее мощными в процессах самоочищения атмосферы от радионуклидов. На основе обобщения экспериментальных данных о вымывании аэрозолей из атмосферы нами были получены зависимости для определения коэффициента вымывания, которые были использованы в процессе численного моделирования.

Таким образом, в настоящее время недостаточно проработаны вопросы, связанные с созданием единого имитационного моделирующего комплекса, в рамках которого могут бьгть решены следующие задачи:

• диагноз радиационной обстановки и экологических последствий после возникновения аварий на АЭС;

• получение априорной информации об экологических последствиях возможных аварий на АЭС;

• исследование процессов распространения в атмосфере и выпадения на подстилающую поверхность радионуклидов с целью лучшего понимания влияния атмосферных условий на характер эволюции РАО.

2. Математическая модель метеорологического режима

Для прогнозирования метеорологической обстановки используется

телескопическая модель атмосферы. В ближней от источника зоне

используется мезомасштабная модель атмосферы, основные уравнения

которой имеют вид:

¿и дя „ дх., дх-,-, дх., ■

Л дх ' дх ду дг

¿и дк _ дт2, дтгг дтп -_---Л, +-— +-22. +-21

Л ду дх ду дг

с1у/ дл дх,, дх,, дх,, ■

-----а + —— + —— + —— »

Л дг дх ду дг

ди до ду/ „-¿от-

дх ду дг

Ж 1 <%)п ег

— ---г- + Л, •

Л срр дг срр

Л р\ & &)

П = (1000 / р)Ж"'{т + / с,) . ' Чя + 8 в облаках д вне облаков

Пространственной областью решения является ,

Г2 = {М < X; |.у| < У; 0 < г < Н}.

Начальные условия формулируются следующим образом: и(х,у,г,[)= и0 (х,у,г), и{х,у,г, *) = ц, (х,у,г), т(х,у,г,0= Т0 (Х,у,2), д(х,у,г,0= д0 (х.у.г) при/=0. Процедура определения функций м0, и0, Т0, убудет изложена несколько позже. Обычно з.г*. функции определяются по данным измерений в реальной атмосфере. Мезометеорологические процессы нами рас-

8

сматривайтся на фоне крупномасштабных. Используя идею телескопизации математических моделей, будем полагать в качестве боковых краевых условий следующие:

где функции и{х\ и{х\ 1<х\ 4{х\ и{г), и(г), Т<7).

определяются с помощью математической модели региональных процессов.

В приграничной зоне для ликвидации паразитарных коротковолновых возмущений используется процедура демпфирования поглощением, основанная на использовании взвешенных тенденций (производных по времени) в приграничной зоне.

На нижней границе, за которую принимается верхняя граница приземного подслоя, условия, ставятся с помощью модели квазиоднородного слоя атмосферы. Вычислительный алгоритм решения уравнений мезомасштабной модели строится таким образом, чтобы включение приземного слоя в модель сводилось исключительно к изменению способа задания граничных условий при г=/г без изменения самой структуры вычислительного алгоритма.

На верхней границе (г=Н) краевые условия задаются исходя из условия равенства всех искомых функций их фоновым значениям, получаемым с помощью региональной модели.

Учет разовых переходов атмосферной влаги предусмотрен самой структурой уравнений притока тепла и переноса влаги. На каждом шаге

интегрирования по времени по предвычисленной функции (п -

номер временного шага) определяются температура и

^(и+1)

максимальное значение массовой доли водяного пара с[тгх :

и (х,у, 2,0= 1С . (у,г, О,

Т(х,у,г,1)= ^(у.г.О, я(х,у,2,^ д(х)(у,г,0 при х=±Х, и(х,у,2Л)= 14{У) (х,2,0, и(х,у,г,1) = и{г)(х,2,0,

д(х,у,г, 0=<7(/) (х,2,0, при у=±У,

,(х)

Р

Затем по предвычисленной функции и функции

определяется водность облачности

I 0 /фИ 5(и+1) < (¿^ ' Учет выпадения осадков в модели предусмотрен по следующей схеме: начиная с верхнего уровня, сравнивается с критическим значением 30:

Т

8а = 0,201 Ю"3—ехр Р

.7,4-^)

где 60 • в г/кг;р - в гектопаскалях; Т - в Кельвинах.

Если водность 5 не превосходит £>0, то осуществляется переход к следующему уровню, в противном случае 5 полагается равной д0, а избыток влаги р(& 80) выпадает в нижележащий слой.

Процессы горизонтального турбулентного обмена учитываются следующим образом

% = РкпРч >

дх} дхх 3 8и

Слагаемые, описывающие процессы горизонтальной турбулентной диффузии в уравнения притока тепла и переноса влаги, записываются в традиционном виде:

д дер д дф „ р = — и —— + — и -1- , <Р= Д

' асМг дх

где ¡их, /иу - коэффициенты турбулентности по осям х ну соответственно.

Вертикальные турбулентные потоки теплосодержания и удельного влагосодержания вычисляются по следующим соотношениям:

. <?П , да

вп = е, =

н

Для дискретизации уравнений модели на сетке исполсьзуется метод расщепления по физическим процессам. В соответствии с этим методом, на каждом шаге интегрирования по времени исходная система уравнений расщепляется на три подсистемы: первая подсистема описывает перенос субстанций вдоль траекторий, вторая подсистема описывает турбулентный обмен, а третья - процесс согласования метеорологических полей.

В региональной модели используются полные уравнения гидротермодинамики атмосферы, записанные в изобарической системе

координат в квазистатическом приближении применительно к плоскости карты в стереографической проекции:

и2 + о2 дт:

2

+ и

дх 3 дт 2

2

ЗУ

с1 и

а и

А*

т

с1П <Н

___

Л ~ др Х др ~ 8

+ /и

£ь. дР

, ( £и_ до I дх + ду )

д т

О

др

дф дх дФ ду

- КУ2и = О

- КЧ и = О

дФ ИГ _ др р

т т

дрХ др д дз

в. - КЧгП = 0.

где

с1(р

ИГ

срР

др д(р

д<р .( до д(р

л:У25 = о, д<р

+ О)

др

Решение уравнений

осуществляется в области П, = Г2х[0,/], где

{о < X < Х,0 <у< У,рь < р < £>„} - область изменения

пространственных переменных, а [0,/] - интервал изменения времени.

Нижнее краевое условие ставится таким образом, чтобы учесть орографические неоднородности подстилающей поверхности. С этой целью вертикальная скорость м> на изобарической поверхности р = р0 = 1 ООО гПа определяется исходя из условия непроницаемости для воздуха земной поверхности, из которого следует уравнение тенденции геопотенциала изобарической поверхности р = Р0

д1

<<Ф.°-фо) , .. <?(ф.о-фо)

дх

•+ и„

ду

+ со.

я>10 др

= о

На нижней границе задаются также вектор турбулентного напряжения трения Т0, вертикальные турбулентные потоки

теплосодержания и влагосодержания :

ди

= г°>

х-

д» о Ш ПО д* по

л др х л др На верхней границе атмосферы, за которую принят изобарический уровень 100 гПа, полагается равенство нулю аналога вертикальной скорости (условие постоянства массы атмосферы).

Методика параметризации неконвективной облачности и крупномасштабной конденсации была изложена выше. В том случае, когда в ре-

зультате расчетов было получено 3=0, производится оценка балла неконвективной облачности по следующим соотношениям: \g(r) если г > гк,

п = Л г.

[ 0 если г й гк. При этом функция g(r) имеет следующий вид:

,( ) [1-iwr

а критическое значение относительной влажности определяется выражением:

3

Гк (а ) = X а „О-" + Д rt (ш ) '

«• о

где ап- эмпирические коэффициенты (я0=1, я, = -0,218, а2 =-0,3196, а3 =3,464), Агк(со) - корректирующее слагаемое (не превосходит 0,04), зависящее от величины изобарической скорости.

Величина а зависит от яруса облачности (о=0,845 для облаков на уровне 850 гПа, о=0,678 для облаков на уровне 700 гПа, о=0,500 для облаков на уровне 500 гПа, о=0,334 для облаков на уровне 300 гПа). Балл облачности используется для вычисления потоков коротковолновой и длинноволновой радиации.

Параметризация процессов конвективного тепло- и влагообмена выполняется на основе сх'чш конвективного приспособления.

Для расчета потоков коротковолнового и длинноволнового излучения используется параметризационная схема, обладающая достаточной точностью, и в то же время являющаяся достаточно экономичной с вычислительной точки зрения (данная схема разработана в Российском государственном гидрометеорологическом институте).

Параметризация взаимодействия атмосферы с подстилающей поверхностью осуществляется с помощью интегрального аэродинамического метода.

_ A h

Сеточная область в плоскости хоу Dh = сох х соу представляет собой

прямоугольник, охватывающий территорию (6,5х7,5)х 103 кв. км с шагом 150 км на широте

60 . Внутрь этой сетки помещается сеточная область с шагом 50 км и охватывающая территорию 1500x1500 кв. км. Количество вертикальных уровней равно одиннадцати (1000, 950, 900, 800, 850, 700, 600, 500, 400, 300, 200 гПа). На этих уровнях, называемых основными,

определяются Р, со, Ф. На промежуточных уровнях, относящихся к серединам соответствующих слоев, определяются функции П, s.T, q, S.

На боковых границах внешней обеспечивающие замкнутость в единственность решения:

Ж _ _ дФ ,„ &

сетки ставятся граничные условия, физическом отношении системы и

д1

дУ дп

= V = 0 '

где V", Vх - нормальная и тангенциальная составляющие скорости по отношению к боковым границам.

Численный метод решения основывается на методе расщепления по физическим процессам.

Полагается, что в начальный момент времени представляет собой сумму соленоидальной и составляющих:

¡Уг = % X Уф + V х-Функция тока ф определяется из уравнения баланса

сРфХ д^фд^ф

Кг = ги + ) и потенциальной

/Ч ф - 2т

У-

дх.ду) дуг

+ Чф-У/ - У/и УФ-/и V2® = 0

Решение этого уравнения производится с помощью экономичного итерационного метода. Найденная функция тока используется затем для решения так называемого омега-уравнения, позволяющего идентифицировать в начальный момент времени поле вертикальных движений по известным полям геопотенциала и функции тока. Омега-уравнение имеет вид

2 — ту-1 П/* /"II— /[ /А

Определенное таким образом поле вертикальных движений воздуха используется для решения уравнения неразрывности

дсо

я

таУсо + /2{тУ2ф+/)-£ = и/—\]{ф,тЧгф+Г)\-т2У'

т у X +

др

= о,

И

которое является уравнением Пуассона относительно функции решается с помощью итерационного метода Либмана.

Функция тока и потенциал скорости используются для определения

скорости движения по формуле )^ = Г х + У^.

Факт наличия или отсутствия облачности устанавливается с помощью дефицита точки росы Д^. Считается, что при положительных температурах облачность существует, если в данной точке дефицит точки росы равен нулю. При отрицательных температурах облачность в данной точке имеет место при выполнении условия А ¿<24,57 - 0,09Т. По температуре, массовой доле водяного пара и водности облачности определяются инвариантные функции /7и 5.

13

3. Математическая модель переноса радионуклидов в атмосфере Пусть в области О в точке с координатами (хг,уг,гг^ расположен

источник поступления в атмосферу радионуклидов, который обладает функцией интенсивности/(() следующего вида:

ГО при / < О,

/г = М0=№<) при Задача состоит в том, чтобы определить концентрацию радионуклидов с(х,у,г) в некоторый момент времени 1>0.

Для решения этой задачи воспользуемся кинематической моделью переноса примеси, уравнение которой в декартовой системе координат имеет вид:

где С - удельная концентрация радионуклидов; Р = (и, и,м?) - вектор скорости движения воздуха; // и V коэффициенты турбулентной диффузии радионуклидов по горизонтали и вертикали соответственно; 1С и I* -функции, учитывающие производство и сток примеси за счет трансформационных процессов; у _

дх ' ду

Коэффициенты турбулентного обмена и скорость движения являются входными параметрами модели переноса радионуклидов в атмосфере, которые определяются с помощью моделей метеорологического режима. Будем полагать, что производство примеси осуществляется только источником, т.е. 1с =0.

Нижней границей области решения является подстилающая поверхность, на которой вполне оправдана следующая формализация взаимодействия примеси с границей:

°2 X я О

где С, - концентрация радионуклидов над подстилающей поверхностью, обеспечивающая равновесное состояние обменного процесса; к5 -коэффициент обмена, являющийся функцией типа почвы, характера растительного покрова и температуры; - интенсивность потока примеси от подстилающей поверхности в атмосферу.

В качестве верхней границы выбрана тропопауза. Этот выбор физически оправдан, так как тропопауза является мощным задерживающим

слоем, на нижней границе которого можно поставить следующее условие:

vfl s*.(cr-cL.r).

г-1т

где zT - высота тропопаузы; кс - коэффициент обмена; Ст -равновесная концентрация примеси в стратосфере.

Боковые границы области решения являются открытыми. На них ставятся следующие условия. Для части границы, где происходит приток воздуха, полагается, что

С=0,

а для части границы, где происходит отток воздуха, полагается равенство нулю производной от С по внешней нормали к области решения:

сС

Начальным условием является отсутствие в атмосфере радиоактивной примеси:

C(x,y,z, 0) = 0.

Функция I* описывает вымывание и седиментацию примеси.

Задачи переноса примесей (в том числе и радионуклидов) в атмосфере относятся к классу задач, связанных с решением уравнений гиперболического типа, решение которых в определенный момент времени становится разрывным (либо решение гладкое , но имеет большие пространственные градиенты). Численное решение уравнений, которые описывают эволюцию положительных функций, имеющих большие пространственные градиенты, имеет свои существенные особенности.

В задачах моделирования переноса радионуклидов в атмосфере перспективно использование схем, не увеличивающих полную вариацию численного решения - Total Variation Diminishing (TVD) - схем (A.Harten). Нами построена схема TVD для уравнения переноса, использующая процедуру распада произвольного разрыва и кусочно-параболическое распределение искомой функции по ячейкам расчетной сетки. Для решения трехмерного уравнения переноса радионуклидов в атмосфере используется двухциклическая схема расщепления, в которой на каждом дробном шаге используется TVD-схема с кусочно-параболической аппроксимацией.

З-а 2-а

Гп~ 3 _ (р _ г\ V" 3

= (Е - тАа)с"~ 3 , а=0,1,2, Сп+~ = (е - тАа)Сл+^, сх=2,1,0

2-а

Здесь ¿-единичная матрица; T:=tj+\ — tj\ Ла-конечно-разностный

оператор, аппроксимирующий одномерный дифференциальный оператор переноса, соответствующий ТУБ схеме.

4. Метод учета метеорологических условий в задачах оценивания экологических последствий аварий на объектах атомной "энергетики Для оценки адекватности рассмотренной в третьем разделе региональной телескопической модели были использованы данные ПГЭП за январь и июль 1979 г. Качество прогнозирования поля геопотенциала оценивалось согласно методическим указаниям по проведению оперативных испытаний методов гидрометеорологических прогнозов. Как показывают численные эксперименты, качество прогнозирования полей геопотенциала, температуры, влажности и облачности находится на вполне удовлетворительном уровне.

Качество предложенной в данной диссертационной работе мезомаспгтабной модели оценивалось путем сравнения результатов моделирования, выполненных на ее основе, с результатами, которые были получены с помощью других математических моделей (оценка их качества осуществлялась с использованием фактических метеорологических данных).

Предлагаемый метод предусматривает выполнение следующих действий:

1. Сбор и подготовка исходных данных для целенаправленного функционирования комплекса специализированных математических моделей (имитационного моделирующего комплекса), включающего математические модели метеорологического режима (региональную и мезомасштабную), модели динамики радионуклидов в атмосфере, модели источников поступления радионуклидов в атмосферу;

2. Численное моделирование метеорологического режима (мезометеорологического и регионального масштабов), а также численное моделирование процессов переноса радионуклидов в атмосфере и их осаждения но подстилающую поверхность;

3. Представление прогностической информации в удобном для потребителя виде. *

Общий порядок работы с имитационным моделирующим комплексом выглядит следующим образом:

1. Задание параметров сеточных областей (регионального масштаба и мезометеорологического масштаба), на которых осуществляется дискретизация уравнений моделей метеорологического режима и моделей переноса радионуклидов, а также привязка сеточных областей к конкретному географическому региону.

2. Параметризация процессов поступления радиоактивных веществ в атмосферу.

3. Численное моделирование динамики атмосферных процессов с помощью мезомасштабной метеорологической модели.

4. Численное моделирование распространения в атмосфере радиоактивных аэрозолей и их осаждения на подстилающую поверхность в ближней зоне. Для этого в качестве входных параметров модели переноса используются выходные данные мезомасштабной атмосферной прогностической модели.

5. Численное прогнозирование динамики атмосферных процессов в масштабах региона. Выходные данные региональной модели используются для постановки боковых граничных условий мезомасштабной атмосферной модели, а также (если радиоактивное АО вышло за пределы ближней зоны) для моделирования процессов дальнего переноса РАО.

Чернобыльская авария является классическим примером, на котором, в первую очередь, целесообразно проверить работоспособность предложенного в данной работе метода. Сопоставление результатов ' численных экспериментов с фактическими данными свидетельствуют о возможности практического использования предложенного метода при решении задач оценивания радиационной обстановки и экологических последствий аварий на АЭС и других объектах, на которых установлены ядерные реакторы.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Математическая модель переноса радионуклидов в атмосфере// Научно-технический сборник (труды). Вып.4,- Изд. ВИКА, 1998.

2. Метод учета метеоусловий при оценивании экологической обстановки в позиционных районах частей запуска и управления КА// Научно-технический сборник (труды). Вып.4,-Изд. ВИКА, 1998.

3. Принципы построения системы регионального экологического мониторинга/Тез. Докл НТК «Проблемы геофизики и контроля состояния природной среды», С-Пб, 1993.

4. Параметризация вымывания аэрозоля в гидродинамических моделях переноса примесей/Тез. Докл НТК «Проблемы геофизики и контроля состояния природной среды», С-Пб, 1993.

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата физико-математических наук, Проскурнин, Евгений Дмитриевич, Санкт-Петербург

61: 99-1140ь- у

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РФ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ

ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ПРОСКУРНИН Евгений Дмитриевич

УДК 551.510.42

МЕТОД УЧЕТА МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИИ В ЗАДАЧАХ ОЦЕНИВАНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОСЛЕДСТВИЙ АВАРИЙ НА ОБЪЕКТАХ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Специальность 11.00.09 - Метеорология, климатология, агрометеорология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук,

профессор Солдатенко С.А.

Санкт-Петербург 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

СПИСОК АББРЕВИАТУР.............................4

ВВЕДЕНИЕ.....................................5

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.........................12

1.1. Анализ современного состояния проблемы математического моделирования распространения радиоактивных аэрозольных образований в атмосфере.........................12

1.2. Влияние метеорологических условий на процессы трансформации радиоактивных аэрозольных

образований в атмосфере.........................19

1.3. Постановка задачи исследования....................31

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА....................33

2.1. Основные уравнения мезомасштабной модели..............33

2.2. Преобразование уравнений. Начальные и граничные условия......35

2.3. Параметризация физических процессов..................39

2.4. Численный метод решения уравнений мезомасштабной модели.....42

2.5. Основные уравнения региональной модели................50

2.6. Параметризация физических процессов..................52

2.7. Численный метод решения уравнений

региональной модели.............................57

2.8. Инициализация региональной модели....................63

3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПЕРЕНОСА РАДИОНУКЛИДОВ В АТМОСФЕРЕ.....................66

3.1. Основное уравнение модели переноса радионуклидов..........66

3.2. Численная схема решения уравнения переноса

радионуклидов в атмосфере.........................68

4. МЕТОД УЧЕТА МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ В ЗАДАЧАХ ОЦЕНИВАНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОСЛЕДСТВИЙ АВАРИЙ НА ОБЪЕКТАХ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ...................80

4.1. Общие положения..............................80

4.2. Оценка адекватности региональной прогностической модели......82

4.3. Анализ качества мезомасштабной модели.................85

4.4. Метод учета метеорологических условий при оценивании экологических последствий аварий на объектах

атомной энергетики.............................87

4.5. Результаты численных экспериментов и их анализ...........91

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................108

ЛИТЕРАТУРА...................................110

СПИСОК АББРЕВИАТУР

ААО - антропогенное аэрозольное образование

АО - аэрозольное образование

АЭС - атомная электростанция

ОА - объективный анализ

ПСА - пограничный слой атмосферы

ПрСА - приземный слой атмосферы

РАО - радиоактивные аэрозольные образования

СВ - синоптические вихри

ВВЕДЕНИЕ

Немногим более десяти лет прошло с того момента, когда весь цивилизованный мир содрогнулся от катастрофы, произошедшей в Чернобыле. Масштабы и последствия этой катастрофы оказались столь значительны, что и до настоящего времени продолжают будоражить как общественное мнение, так и занимать умы ученых, политиков, общественных деятелей и простых людей.

Трагедия в Чернобыле дала серьезные основания для дискуссий о целесообразности дальнейшего развития ядерной энергетики. Однако в настоящее время превалирующей является точка зрения, что альтернативы ядерной энергетики у человечества нет. Коль скоро это так, то возникают две очень важные проблемы, первая из которых связана с оцениванием риска возможных аварий на объектах атомной энергетики, а вторая - с оцениванием возможных последствий аварий (пусть даже маловероятных) на объектах атомного энергетического цикла. Ученые различных стран мира дают однозначный ответ о возможности безопасного и экономичного использования ядерной энергии. Целесообразность дальнейшего развития ядерной энергетики вытекает и из анализа других путей получения энергии с экологической точки зрения. Известно, например, что использование электростанций и других источников получения энергии, работающих на органическом топливе, за счет выбросов в атмосферу большого количества двуокиси углерода и ряда других продуктов сгорания приводит к увеличению парниковых свойств атмосферного воздуха [10, 46, 56]. Это обстоятельство вызывает серьезную озабоченность у мировой общественности в связи с возможными глобальными климатическими изменениями.

Необходимо подчеркнуть, что ядерная энергетика в экономике многих стран занимает столь значительное место, что отказ от нее просто невозможен. Так, во Франции доля АЭС в выработке электроэнергии составляет 74,6%, в Бельгии - 60,8%, в Финляндии - 35,4% и т.д. [31].

Использование атомной энергии имеет и определенные социальные преимущества. На АЭС и других объектах ядерной энергетики отсутствуют трудоемкие процессы, применяется современные технологии, оборудование и аппаратура, труд носит творческий характер.

Вместе с тем не вызывает сомнения и является для всех очевидным тот факт, что на объектах атомного энергетического цикла и примыкающей к ним территории существует потенциальная опасность радиационных поражений человека, нежелательных воздействий на эколого-экономические системы, а значит имеет место радиационный риск. В силу ряда особенностей этого риска, обусловленных природой поражающего действия радиационных факторов, даже сравнительно невысокий уровень радиационного риска воспринимается обществом с большой тревогой. В качестве примера приведем негативную реакцию населения Санкт-Петербурга на выброс в атмосферу газовой активности, произошедшей на ЛАЭС в марте 1992 г., который фактически не имел никакой реальной опасности для населения [31].

Полностью исключить возможность возникновения катастроф, подобных Чернобыльской, нельзя в силу вероятностной природы техногенных аварий на объектах атомного энергетического цикла. С другой стороны, до настоящего времени в странах Восточной Европы и бывшего СССР по прежнему действуют 67 реакторов типа РБМК (реакторы Чернобыльского типа), ВВЭР-440/230, несколько более новые модели - ВВЭР-440/213 и ВВЭР-1000. Все эти реакторы вызывают озабоченность экспертов МАГАТЭ с точки зрения ядерной безопасности.

В связи с этим представляется достаточно важным иметь априорную информацию об экологических последствиях возможных (пусть даже маловероятных) аварий и катастроф, которые могут произойти на объектах атомной энергетики.

Заметим, что в Советское время в нашем государстве преобладала в качестве концепции по обеспечению ядерной безопасности концепция нулевого риска. Чернобыльская трагедия показала несостоятельность такого подхода ввиду невозможности достижения абсолютной безопасности.

Масштабы последствий аварий на АЭС в значительной степени зависят от фактических метеорологических условий в момент аварии, а также от последующего развития метеорологических процессов. Поэтому особые требования предъявляются к информационному метеорологическому обеспечению при решении задач оценивания масштабов радиоактивного загрязнения окружающей среды, возникающего в результате аварий на объектах ядерного энергетического цикла. Основными направлениями повышения качества метеорологического обеспечения являются: совершенствование прогностических методов, повышающее оправдываемость прогнозов и приближающее их к идеальным, повышение оперативности сбора, обработки и передачи информации потребителям, оптимизация использования потребителями имеющейся информации. В данной работе рассматриваются вопросы совершенствования методов учета метеорологических условий в задачах анализа и прогнозирования радиационной обстановки и оценивания экологических последствий аварий и катастроф на АЭС и других объектах, оснащенных ядерными реакторами.

Адвективный перенос воздушных масс, упорядоченные и конвективные вертикальные движения воздуха, горизонтальная и вертикальная турбулентная диффузия, седиментация, влажное вымывание (обложными и конвективными осадками) являются основными механизмами трансформации радиоактивных выбросов, которые к тому же могут иметь тенденцию к самоиндуцируемому вертикальному подъему [16, 54].

Поэтому очевидным является тот факт, что без учета реальной метеорологической ситуации невозможно произвести оценку экологических последствий возможных аварий и катастроф на объектах атомной энергетики, в ре-

зультате которых в атмосферу произошел выброс радиоактивной примеси. К сожалению, известные методики ( см ., например [29, 32, 41, 54, 72, 80]), которые главным образом основаны на использовании данных ветрового зондирования и в лучшем случае косвенным образом (посредством параметризации) учитывающие термическую стратификацию и эффекты влажного и сухого осаждения, дают возможность получить оценку зараженной площади, далеко не соответствующей реальной действительности (так называемые эллипсы осаждения радиоактивной примеси). Ярким подтверждением этого обстоятельства является все та же, упомянутая выше, Чернобыльская трагедия.

После катастрофы на Чернобыльской АЭС и в связи с заключением Венской конвенции о раннем оповещении о ядерных авариях особенно актуальными стали работы, связанные с совершенствованием методов анализа и прогнозирования экологических последствий ядерных аварий и катастроф на основе использования методов математического моделирования. В этом аспекте следует отметить ряд исследований (к примеру, [33-37, 71, 83, 86, 87, 89-91, 102]). Несмотря на это все еще остается значительное количество нерешенных вопросов, которые относятся к сфере учета реальной метеорологической обстановки при решении задач оценивания и прогнозирования экологических последствий возможных аварий и катастроф на объектах атомной энергетики. Прежде всего это относится к учету реального (а не среднего) ветра, температурной стратификации, седиментации, влажного вымывания, самоиндуцируемого вертикального подъема в процессах трансформации облака радиоактивной примеси.

Таким образом, актуальность настоящей диссертационной работы обслов-лена:

1. Необходимостью разработки методов информационного метеорологического обеспечения при оценивании и прогнозировании экологических последствий аварий на объектах ядерного энергетического цикла.

2. Необходимостью создания методов прогнозирования экологических последствий возможны^ аварий и катастроф на объектах атомной энергетики с учетом реальной метеорологической обстановки.

3. Необходимостью повышения достоверности анализа и прогноза экологических последствий возможных аварий на объектах атомной энергетики. Настоящая работа ставит своей целью разработку метода учета метеорологических условий в задачах информационного метеорологического обеспечения диагноза и прогноза радиационной обстановки и экологических последствий аварий и катастроф на объектах ядерного энергетического цикла.

В соответствии с целью задачи исследования сводятся к следующим:

1. Анализ современного состояния исследований в области учета метеорологических эффектов при анализе и прогнозировании радиационной обстановки и оценивании экологических последствий аварий на объектах атомной энергетики.

2. Разработка математической модели трансформации в атмосфере радионуклидов, а также метода ее численной реализации.

3. Разработка математической модели метеорологического режима и ее численная реализация.

4. Параметризация процессов поступления в атмосферу радионуклидов (источников радиоактивного заражения окружающей среды).

5. Проведение численных экспериментов и их анализ с целью определения степени адекватности математических моделей.

6. Разработка метода учета метеорологических условий в задачах оценивания экологических последствий аварий на объектах ядерного энергетического цикла.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что в ней предложен метод оценивания радиационной обстановки и экологических последствий аварий и катастроф на обектах ядерного энергетического цикла. При этом ос-

новой метода служат гидродинамические модели метеорологического режима и процессов трансформации радиоактивных аэрозольных образований на пространственно-временных масштабах от локального до регионального.

Практическая значимость работы состоит в том, что предложенный метод учета реальной метеорологической обстановки дает возможность повысить качество диагноза и прогноза степени радиоактивного загрязнения природной среды в результате аварий на АЭС и других объектах, оснащенных ядерными реакторами.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод учета метеорологических условий при анализе и прогнозе масштабов радиоактивного загрязнения природной среды и оценивании экологических последствий аварий и катастроф на объектах ядерного энергетического цикла.

2. Имитационный моделирующий комплекс (совокупность математических моделей метеорологического режима и процессов трансформации радиоактивных аэрозольных образований), позволяющий осуществлять численные эксперименты по воспроизведению процессов распространения радиоактивных аэрозольных образований в атмосфере и их осаждения на подстилающую поверхность.

Структурно диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов и заключения.

В первом разделе дан анализ проблемы учета метеорологических условий в задачах оценивания экологических последствий аварий на атомных электростанциях, рассмотрены основные математические модели, используемые для решения этой задачи. Здесь же приведен анализ влияния метеорологических условий на процессы трансформации радиоактивных аэрозольных образований в атмосфере и осуществлена постановка задачи исследования.

Во втором разделе формулируются математическая модель метеорологического режима, схемы параметризации подсеточных физических процессов, используемых в модели, а также рассмотрен метод численной реализации модели.

Математическая модель переноса радиоактивных аэрозольных образований в атмосфере и метод ее численной реализации изложены в третьем разделе.

В четвертом разделе рассмотрены результаты численного моделирования, приводится их анализ и формулируется метод учета метеорологических условий в задачах оценивания экологических последствий аварий на объектах ядерного энергетического цикла.

Основные результаты диссертационных исследований докладывались и получили одобрение на семинарах кафедры экологии Калининградского государственного университета, кафедры геофизического обеспечения Военной инженерно-космической академии имени А.Ф.Можайского, кафедры метеорологических прогнозов Российского государственного гидрометеорологического университета.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Анализ современного состояния проблемы математического моделирования распространения радиоактивных аэрозольных

образований в атмосфере

На сегодняшний день существует понимание того, что чрезвычайно важной и актуальной проблемой является оценивание пространственного распространения и осаждения на подстилающую поверхность вредных загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу в результате различного рода техногенных аварий и катастроф. При этом наибольшую опасность для человека и окружающей природной среды представляют выбросы в атмосферу продуктов атомного распада - радионуклидов (изотопов плутония, цезия, рутения, циркония, ниобия и др.), которые возникают наиболее часто при авариях на атомных электростанциях, на радиохимических завода и хранилищах радиоактивных отходов. Характерно, что в результате аварий появляется возможность выхода радионуклидов в атмосферу в виде залповых выбросов (как это было во время аварии на Чернобыльской АЭС и на Сибирском радиохимическом заводе в районе г.Томск-7 6 апреля 1993 г. [31].

Коль скоро существующая сеть станций экологического контроля чрезвычайно редка, то с ее помощью не представляется возможным на требуемом уровне осуществлять мониторинг атмосферных загрязнений. В связи с этим возникает задача, связанная с расчетом распространения примесей от источников загрязнения и определением концентрации примесей в различных точках пространства. Для решения этой задачи обычно используются различные математические модели, реализованные на вычислительной технике.

Одной из простых моделей, позволяющих рассмотреть процессы перемещения облака загрязняющих веществ в атмосфере служит модель постоянного по слоям ветра [54]. Суть этой модели заключается в следующем. Слой атмосфе-

ры от земной поверхности до уровня, совпадающего с верхней границей аэрозольного образования, разбивается на несколько слоев, толщин