№ 6
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2008
УДК 681.3.06
© 2008 г. КОСЫХ B.C., КЛЕПИКОВА Н.В., СТОГОВА И.В., ТРОЯНОВА Н.И., ФРЕЙМУНДТ Г.Н., ДЕНЬКИН В.А., БОРОДИН Р.В., РОЗИНКИНА И.А., ЦВЕТКОВ В.И., АРУТЮНЯН Р.В., СЕМЕНОВ В.Н., СОРОКОВИКОВА О.С., ФОКИН А.Л.*
ОПЕРАТИВНАЯ СИСТЕМА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РАДИАЦИОННОЙ ОБСТАНОВКИ ДЛЯ МУРМАНСКОГО РЕГИОНА ПРИ АВАРИЙНОЙ СИТУАЦИИ **
Дано описание пилотной в РФ системы мониторинга и аварийного реагирования на радиационно-опасные ситуации, установленной в Мурманском регионе. Прогноз в режиме реального времени основан на современных моделях распространения радионуклидов в атмосфере, моделях дозовых нагрузок, оперативном прогнозе и диагнозе метеорологических полей.
Система установлена для опытной эксплуатации в Мурманском управлении по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды.
Приведены результаты проверки достоверности метеорологического прогноза. Продемонстрирована работоспособность всей системы, приведены результаты тестового расчета.
Введение. Одной из задач обеспечения безопасности ядерных радиационно-опасных объектов (ЯРОО) и АЭС является задача оперативного прогнозирования радиационной обстановки в случае аварийных выбросов радиоактивных веществ в атмосферу.
Для прогнозирования радиационной обстановки в аварийных ситуациях в зоне 100 км вокруг ЯРОО используется моделирование атмосферного переноса путем решения нестационарного трехмерного уравнения турбулентной диффузии с коэффициентами, зависящими от параметров атмосферы, характеризующих ее состояние, что позволяет учитывать неоднородное трехмерное поле ветра, трехмерную неизотропную турбулентность, рельеф, осадки. Одно из достоинств таких моделей - возможность полноценного использования в качестве входных данных прогнозов характеристик атмосферы, необходимых для работы диффузионной модели, с учетом их пространственной и временной изменчивости. Это позволяет сделать прогнозирование радиационной ситуации более достоверным за счет улучшения качества моделирования распространения в атмосфере и выпадения на подстилающую поверхность радиоактивных веществ, поступивших в атмосферу при аварийных выбросах.
Для прогнозирования и моделирования развития ситуации в случае аварийных выбросов внимание уделяется оперативности прогноза. Для поддержки принятия решений о неотложных мерах по защите населения и окружающей среды и организации аварийно-спасательных работ оперативность прогноза и его качество - первостепенная задача.
* Косых В.С., Клепикова Н.В., Стогова И.В., Троянова Н.И., Фреймундт Г.Н., Денькин В.А., Бородин Р.В. - ГУ НПО "Тайфун"; Розинкина И.А., Цветков В.И. - ГУ Гидрометцентр России; Арутюнян Р.В., Семенов В.Н., Сороковикова О.С., Фокин А.Л. - ИБРАЭ РАН.
Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ. Грант 07-08-00491-а.
Диффузионные модели атмосферного переноса могут полностью удовлетворять требованиям оперативности. На основе лагранжевой траекторной модели в ИБРАЭ РАН создана компьютерная система, предназначенная для оценки радиационной обстановки при аварийных выбросах радиоактивных веществ на радиационно-опасных объектах (система НОСТРАДАМУС [1, 2]). За счет применения эффективных вычислительных алгоритмов система способна работать в режиме реального времени, она внедрена в оперативную практику и используется на ряде предприятий ядерного топливного цикла и АЭС.
Но до последнего времени преимущества диффузионной модели не использовались в полном объеме. Стандартный прогноз Гидрометцентра России (ГМЦ) рассчитывается и передается на широтно-долготной сетке 1,25° х 1,25° (более чем 100 х 100 км) на стандартных изобарических поверхностях (с высотами 750 м, 1500 м и т.д.). Очевидно, что при расчете радиационной обстановки даже в зоне 30 км вокруг ЯРОО грубость разрешения и необходимость интерполирования данных внутри сетки указанного размера сводит на нет достоинства модели переноса. Поэтому актуально улучшение разрешения метеопрогноза.
В ФИАЦ Росгидромета (ГУ «НПО "Тайфун"») разработан метеорологический процессор (метеопроцессор) [3], позволяющий получать в мезомасштабной области (до 100 км) с улучшенным разрешением метеорологические данные при оперативном прогнозировании распространения примеси в атмосфере. Сотрудниками ИБРАЭ РАН и ФИАЦ Росгидромета создан программно-технический комплекс (ПТК), обеспечивающий оперативное реагирование на возможные аварийные радиационные ситуации в Мурманском регионе с автоматизированным использованием в диффузионной модели НОСТРАДАМУС (ИБРАЭ) прогностических метеорологических данных, подготовленных метеопроцессором (ФИАЦ Росгидромета). ПТК установлен и передан в опытную эксплуатацию в Государственное учреждение "Мурманское управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды" (МУГМС).
Способ определения параметров приземного и пограничного слоев атмосферы
Для проведения расчетов распространения радиоактивной примеси в атмосфере в Мурманском регионе диффузионную модель НОСТРАДАМУС необходимо обеспечить входной прогностической метеорологической информацией на широтно-долготной сетке О (по широте у от 68° до 70° и по долготе X от 30,5° до 35,5°) с шагом 5' и 19 уровнями по вертикали (2, 10, 30, 70, 130, 210, 310, 430, 570, 730, 910, 1110, 1330, 1570, 1830, 2110, 2410, 3070 м, отсчитываемых от поверхности земли). В Мурманском регионе градусная сетка с шагом 5' соответствует метрической сетке с шагом Ах = 3,4 км по оси X, направленной с запада на восток по касательной к параллели, и с шагом Ау = 9,3 км по оси У, направленной с юга на север по касательной к меридиану. Необходимые параметры, характеризующие состояние нижнего слоя атмосферы, должны быть спрогнозированы с заблаговременностью двое суток с интервалом 3 ч.
Метеорологический процессор осуществляет подготовку для области О на заданной пространственно-временной сетке следующего набора параметров:
- компоненты скорости ветра и, и, w, м/с;
- температура Т, °С;
- интегральные характеристики приземного и пограничного слоев атмосферы (Пр-СА и ПСА): динамическая скорость и*, м/с; параметр устойчивости (обратная длина Монина-Обухова), м-1; высота ПСА Н, м; непрерывный аналог параметра устойчивости атмосферы по Тернеру рт (параметр Смита);
- коэффициенты турбулентного обмена Кх, Ку, К, м2/с;
- эффективная интенсивность осадков уг1, мм/ч, за каждый час.
Для расчета трехмерной пространственной структуры ПСА используется следующий метод. Область О расчета метеопараметров разбивается на районы с достаточно однородной подстилающей поверхностью. Для каждого однородного района прово-
дится автономная количественная оценка параметров ПСА в стандартные сроки метеорологических наблюдений (00, 03, 06, 09, 12, 15, 18, 21 ч СГВ). Для этого применяется параметризация стратифицированного пограничного слоя бароклинной атмосферы, использующая как исходную метеоинформацию данные наблюдений на метеорологических станциях (МС) и/или ведомственных автоматических метеорологических станций (АМС) и оперативные метеорологические поля анализа и прогноза на сетке 1,25° х 1,25°, готовящиеся Гидрометцентром России.
Согласно современным представлениям для описания закономерностей распределения метеорологических элементов в ПСА в качестве основных определяющих параметров могут быть использованы следующие [4]: Иф, г>ф - компоненты скорости приземного ветра; Д0 = 0H - 00 - перепад температуры в пограничном слое атмосферы, где 00 и 0H - потенциальная температура у поверхности земли и на высоте ПСА; Xx, Xy - характеристики бароклинности атмосферы; z0 - параметр шероховатости; z -
высота; ß = g/T - параметр плавучести; T - средняя температура в ПСА; f - параметр Ко-риолиса; у, X - широта и долгота места. Определяющие параметры ПСА рассчитываются непосредственно по входным метеорологическим данным наблюдений или прогноза.
Приземный слой атмосферы параметризуется на основе фундаментальной теории подобия Монина-Обухова [5], согласно которой безразмерные вертикальные градиенты скорости ветра и потенциальной температуры являются универсальными функциями только от z/L, а масштабы температуры и динамической скорости u* определяют приземный турбулентный поток тепла QH = -pcpu*0*.
Интегральные характеристики ПСА (динамическая скорость u*, длина Монина-Обухова L, безразмерные параметры устойчивости ц = H/L и ц0 = (ku*)/(f |L), турбулентный приземный поток тепла QH, угол поворота ветра с высотой а) параметризуются на основе законов сопротивления, тепломассообмена для стратифицированного ПСА [6-10]. Они связывают интегральные характеристики ПСА с внешними определяющими параметрами по универсальным функциям подобия ПСА [5], зависящим от обобщенного ц и внутреннего ц0 параметров устойчивости и параметров бароклинности Xx и Xy. Система уравнений является незамкнутой и дополняется уравнением для определения высоты ПСА H. Для конвективного ПСА прогностическое уравнение для определения высоты получено интегрированием по времени приземного турбулентного потока тепла и динамической скорости [11, 12]. Нейтральный и устойчивый ПСА рассматриваются как квазистационарные, уравнение для Н является диагностическим, основанным на текущих характеристиках ПСА [6, 7]. Представленный метод обобщен на случай бароклинной атмосферы и позволяет связать потоки у поверхности земли с параметрами свободной атмосферы [10].
Влияние местных условий на циркуляционные особенности воздушных потоков в атмосфере учитывается адаптацией крупномасштабных потоков к локальным особенностям, использованием поля параметра шероховатости, рельефа местности и метеорологических данных наблюдений сетевых метеорологических станций и АМС.
Мезомасштабные поля скорости ветра определяются в два этапа: на первом - одномерной моделью ПСА восстанавливаются вертикальные профили скорости ветра в области счета; на втором - применяется диагностическая модель сохранения массы и осуществляется приспособление полученного поля к локальным особенностям местности путем поиска ближайшего к исходному потоку бездивергентного поля ветра
(ДU = 0) при условии параллельности приземного ветра поверхности земли [13]. Пр
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.