一项关于气象因素对核爆炸放射性沉降物预测影响的研究

《Journal of Environmental Radioactivity》：A study on the impact of meteorological factors on radioactive fallout predictions of nuclear explosions

气象因素对核爆炸放射性沉降预测的影响研究

　　

李菲菲|刘强|刘伟|何卓如|杨明|李阳超

国家关键实验室（NBC危害防护化学），北京，102205，中国

摘要

通过设计多组包含不同气象因素的敏感性实验，本研究探讨了降水量和风速变化对基于WRF-NAQPMS核爆炸放射性沉降预测模型的影响。该模型具有灵活的气象数据接口模块。结果表明，在高降水量情景下，虽然爆炸后1小时的瞬子地面剂量率有所下降，但爆炸后12小时的累积地面剂量率随降水量增加而上升。对于难熔核素，总地面沉降量达到饱和，而对于挥发性核素，随着降水强度的增加，沉降量增长趋势放缓。风速的变化对地面和垂直方向的剂量率分布都有显著影响：地面剂量率随风速减小而增加，放射性物质积累的高度层范围扩大，高剂量率区域出现的高度降低。总体而言，地面沉降场受风速的影响最为显著，爆炸后12小时内地面剂量率变化幅度可达200.37%。爆炸后1小时内，由于降水量变化，地面剂量率在3.82%到20.63%之间波动。

引言

放射性沉降是核武器特有的破坏性因素之一，能够造成广泛污染并对人体造成放射性伤害。核爆炸后大气中放射性污染物的迁移过程复杂且迅速，因为这些事件具有突发性、破坏性和不可预测性。因此，除了爆炸高度和当量等条件外，气象因素也对放射性沉降预测的准确性有重要影响。确定放射性后果范围的关键参数之一是核事故后的气象条件。

放射性沉降预测模型是一组数学公式，用于描述特定条件下的放射性污染模式。国内外有多种核爆炸放射性沉降预测模型可供使用，例如图形法（DELFIC，Norment，1979a，1979b）和KDFOC（Harvey等人，1992）。图形法因其易于计算而被应用于快速评估软件（如Hotspot，Homann，1994）。而DELFIC和KDFOC由于预测结果准确，被用于综合评估软件（如HPAC，DTRA，2001和NARAC，Tull等人，2004）。这些常用的核爆炸放射性沉降预测模型侧重于特定源项模型和大气传输模型的构建，但它们并未充分考虑气象因素。它们假设主要影响来自冲击波，而在核爆炸后的短时间内气象因素的影响相对较小。然而，放射性污染物可以通过大气环流传播到远处，这使得这些模型适用于预测近区沉降，但不适用于长期放射性沉降预测，尤其是在空中爆炸和高空爆炸的情况下。在这种情况下，气象因素的影响不容忽视。目前，一些先进的大气污染扩散预测模型已经结合了多种方法来考虑气象因素在扩散模拟中的影响。APPIC模型与独立风场模型MATHEW耦合使用。APPIC利用MATHEW模型生成的质量守恒三维网格风场来驱动颗粒运动（Lange，1978）。为了为扩散模块生成精细的三维气象场，CALPUFF模型包含了一个名为CALMET的独立气象模块，该模块整合了多种数据源，包括地形、地面观测和高层大气探测数据（Scire等人，2000）。HYSPLIT模型采用拉格朗日混合方法模拟污染物颗粒的轨迹、扩散和沉积过程。颗粒运动计算可以直接由外部提供的气象三维网格场驱动（Stein等人，2015）。

许多学者已经研究了不同气象因素如何影响空气污染物扩散的模拟和预测结果。在没有增强的外部或局部污染源的情况下，大气污染物的浓度主要受气象因素影响（Cheng和Lam，2000；Tanner和Law，2002；An等人，2019）。在相同的排放源条件下，气象因素的变化可使区域空气污染物浓度相差数十倍（Fisher等人，2006）。空气污染物的扩散、传输、形成和消散受多种参数影响，包括降水量、风场、云层覆盖、温度、湿度、气压、大气稳定性和边界层高度（Heil和Goldammer，2001；Wehner和Wiedensohler，2003；Aiken，2004；Heil等人，2007；Girard等人，2014；Zheng等人，2015；Lu等人，2021；Shu等人，2022）。在上述因素中，降水量和风场的影响最为显著（Fleming等人，2012；Yoo等人，2014）。Zhang等人（2015）发现风向对不同城市的PM_2.5空气污染有不同影响。较高的风速有助于污染物的扩散（Zhang等人，2020），颗粒浓度通常与风速呈负相关（Sulaymon等人，2021）。边界层内的强风切变和较高风速与PM_2.5浓度呈负相关（Yang等人，2019）。对福岛第一核电站事故后释放的¹³⁷Cs的大气扩散进行的模拟研究表明，气象数据对¹³⁷Cs的扩散建模至关重要（Sato等人，2018）。准确的风场数据有助于合理模拟福岛核电站西北部狭窄的高沉积通量分布（Sato等人，2020）。降水量对PM_2.5有显著的清除作用（Hu，2025）。湿度和降水量通过化学转化和湿沉降影响空气污染物浓度（Mircea等人，2000；Chate等人，2003；Chate和Pranesha，2004；Yoo等人，2014；Sooya等人，2016）。然而，尽管放射性颗粒是核爆炸后形成的独特空气污染物，但学者们很少研究各种气象因素对放射性沉降预测的单独影响。例如，Huang等人（2024）在构建放射性颗粒湿沉降计算模型时考虑了降水量对放射性污染分布的影响，但缺乏关于其他气象因素如何影响沉降预测的比较研究和机制分析。

为了研究各种气象因素对沉降预测结果的影响，本研究使用改进的WRF-NAQPMS模型（Li等人，2025）来模拟和预测核爆炸产生的放射性沉降。本文概述了影响核爆炸放射性沉降模拟研究的主要参数，强调了气象因素对放射性沉降预测的重要性。

模型片段

基于WRF-NAQPMS的核爆炸放射性沉降预测模型

为了模拟核爆炸产生的放射性物质的扩散过程，本研究使用了改进的NAQPMS-nuclear模型，该模型结合了一个描述核爆炸云形状和放射性分布的静止核云模型。本研究使用的模型的有效性已在先前发表的论文中得到验证（Li等人，2025）。爆炸后1小时的模拟结果与实际测量数据非常吻合

降水量对放射性沉降预测的影响

图3显示了在不同降水量增加情景下，模型预测的爆炸后1小时瞬时地面剂量率差异场。可以观察到，在一定降水量范围内，瞬时地面剂量率随降水量增加而增加。此外，所有瞬时地面剂量率差异场都表现出从爆心向下游扩散的趋势。

结论

本研究基于WRF-NAQPMS核爆炸放射性沉降预测模型进行。通过利用其灵活的气象数值模型数据接口模块，采用了一种高效的后处理方法，包括乘法或加法缩放，以分别研究降水量和风速对放射性沉降预测的影响。

研究结果表明，降水量

作者贡献声明

李菲菲：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，软件，方法论，资金获取，数据管理，概念化。刘强：撰写 – 审稿与编辑，软件，方法论，研究，概念化。刘伟：撰写 – 审稿与编辑，验证，方法论，研究，概念化。何卓如：撰写 – 原稿，软件，研究。杨明：撰写 – 审稿与编辑，概念化。李阳超：撰写 – 审稿与

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。