引言

2011年3月11日，日本宫城县以东太平洋海域(38.0°N、142.9°E)发生里氏9.0级特大地震，震源深度10 km。随后强震引发高达10 m的巨大海啸袭击了日本东部沿海地区。日本福岛核电站(37.42°N、141.03°E)地处日本福岛工业区，是目前世界上最大的核电站^[1]。受此次强震海啸影响，福岛核电站遭受重创，其多个反应堆先后发生爆炸，造成大量核泄漏污染物迅速向各地排放。北美、欧洲、非洲和亚洲等地先后监测到微量的人工放射性核素。根据中华人民共和国环境保护部(国家核安全局)发布的全国环境辐射监测结果，3月26日，黑龙江省东北部3个监测点(饶河县、抚远县和虎林县)的气溶胶样品中首次检测到极微量的人工放射性核素碘-131，浓度分别为0.83×10^-4~4.5×10^-4 Bq·m^-3、0.68×10^-4~6.8×10^-4 Bq·m^-3和0.69×10^-4~6.9×10^-4 Bq·m^-3(国家标准规定限值为24.3 Bq·m^-3)；4月2日，包括西藏在内的我国内地所有省(市、区)均已检测到极微量的人工放射性核素碘-131，部分省市还检测到极微量放射性核素铯-134和铯-137。从目前情况来看，福岛核泄漏已受到控制，辐射程度减弱，不会对核电站附近人群造成短期危害，更不会影响到周边国家。但核事故早期应急响应放射性后果评估系统的研究已引起各方广泛关注，其中核泄漏物质的扩散路径和浓度预测是主要内容之一，具有重要的研究意义。

数值方法是定量化评估核泄漏物质扩散路径和浓度预测的重要手段。针对此次核泄漏事故，奥地利中央气象和地球动力研究所(http://www.zamg.ac.at/wetter/fukushima/)、挪威大气研究所(http://transport.nilu.no/products/fukushima/)、法国辐射防护与核安全研究院(http://www.irsn.fr/FR/popup/Pages/irsn-meteo-france_22mars.aspx)等国际组织和研究机构利用数值模拟手段开展了3~7天的核泄漏物质扩散的预测研究。国内也有很多研究机构和学者对此展开了大量研究。乔方利等^[1]利用短期气候预测模式和海洋环流数值模式，在理想假设条件下，对此次核泄漏物质的输运扩散路径进行了情景模拟和预测。2011年12月19日，在“全国放射性核污染物扩散传输大气数值模拟和预报技术研讨会”，国内很多相关领域的专家和学者从核物质在大气和海洋中的扩散路径模拟与预测、核物质释放源项分析与风险评估、核事故应急响应与优化控制等领域进行了交流和研讨。目前，针对日本核泄漏事故的大气扩散问题研究多侧重于全球范围的长距离迁移和气候尺度的预测研究，对核泄漏物质的短期、近距离传输扩散问题研究尚少，尤其是没有针对核泄漏物质如何扩散影响中国大陆的相关研究。为此，本文采用新一代空气质量模式系统(Models-3/CMAQ)，对日本核泄漏物质在东亚地区的传输扩散进行了情景模拟与评估分析，以期揭示核泄漏物质近距离影响中国大陆的扩散路径与危害程度，并检验空气质量模式系统对核泄漏事故的模拟能力。

1 数值模式 1.1 数值模式简介

Models-3/CMAQ是美国环保局最新一代空气质量模式系统(图 1)，其主要由气象模式(MM5 V3.7)、区域空气质量模式(CMAQ 4.6) 和排放源处理模块(ECIP)三部分组成^[2-3]。MM5 V3.7是一个比较完善的中尺度动力学模式，为CMAQ 4.6提供连续的气象场及其他参数。ECIP模块作为连接排放资料和空气质量模式的桥梁，可以产生排放源小时浓度的三维数据。CMAQ 4.6是模式系统的核心部分，可用于研究城市和区域尺度对流层臭氧、酸沉降、大气能见度、大气颗粒物及多种污染物的输送和转化过程，其主要由如下几部分组成：ICON和BCON分别为初始和边界值模块；JPROC为光解速率常数模块；MCIP为气象化学转换模块，提供模拟区域信息及气象资料等；CCTM为化学反应机制处理模块，是CMAQ 4.6的主体部分，其考虑了扩散和平流过程、云和气溶胶效应、气溶胶干湿沉降及模式流程分析等多物理过程。

如图 1所示，Models-3/CMAQ模式系统的计算流程为：(1) 运行MM5 V3.7模式，并通过MCIP模块将气象资料转换格式供CMAQ 4.6使用；(2) 运行ECIP源排放模块，根据东亚地区污染源清单^[4]计算模拟区域的背景污染源，为CMAQ4.6提供气态污染源资料；(3) 运行CMAQ4.6的ICON、BCON和JPROC模块，为CMAQ/CCTM提供初始边界条件及光分解率资料；(4) 运行CMAQ/CCTM模块，计算气态与颗粒污染物的多种物理化学过程。

1.2 核泄漏物质在模式中的科学描述

AERO是空气质量模式(CMAQ)对大气气溶胶动力学的一种有效而精炼的描述^[2]，其主要考虑了两类多种气溶胶颗粒物种：(1) 粗模态颗粒物(粒径在2.5~10 μm之间)，如ASOIL、ASEAS和ACORS等；(2) 细模态颗粒物(粒径 < 2.5 μm)，如A25J、AECJ和AORGBJ等。对于不同的颗粒物种，AERO考虑了不同的物理化学过程。就A25J而言，它是一种来自地壳或人类源造成的(unspecified anthropogenic mass)、积聚模态(Accumulation mode)细颗粒物种。AERO模块中主要考虑了A25J的传输、扩散和沉降等物理过程，并假定它不与其他物质发生化学反应。而在不考虑自身衰减的情况下，人工放射性核素也主要受大气传输、扩散与沉降等的影响，因此，可以认为A25J具有与核泄漏物质较为相似的物理属性。基于此，本文选取A25J作为人工放射性核素的示踪物，来研究核泄漏物质在大气中的扩散路径和影响范围。模式计算时，人工放射性核素(A25J)的排放速率在CMAQ/CCTM模块中读取源排放时设定。

2 实验设计 2.1 气象模式

MM5 V3.7模式模拟区域为东亚地区，中心经纬度(45°N、141°E)；水平分辨率为30 km，格点数为200×200；垂直方向取σ坐标，为不等距15层：1.0，0.99，0.98，0.96，0.94，0.91，0.86，0.80，0.74，0.65，0.55，0.50，0.45，0.40，0.35，0.0；采用松弛侧边界条件；各种物理参数化方案：简冰显式方案、KF积云对流参数化方案，Pleim-Xiu行星边界层方案，Pleim-Xiu LSM陆面模式，辐射上边界条件；启用资料同化技术，分别对风场、温度场和水汽混合比进行Analysis Nudging逼近，松弛系数分别为：2.5×10^-4、2.5×10^-4和1×10^-4，同化时间设置为三维场变量360 min，地面场变量180 min。

模式所需气象强迫场取自NCEP/NCAR每日4次的1°×1°再分析资料，模拟时间从2011年3月12日00时至3月30日00时，每24 h启动一次模式计算，提供未来72 h的气象要素场，每隔一小时输出一次模拟结果。为方便描述，本文均采用世界时。

2.2 空气质量模式

CMAQ 4.6模拟网格在水平方向与MM5 V3.7相同，但消除了侧边界的影响，水平格点数为197×197；垂直方向与气象模式相同设为15层；水平平流和垂直平流均采用PPM解法；垂直扩散采用Crank-Nicolson解法；考虑干沉降和湿沉降过程；化学机理为改进的CBM-IV机理(CB4-AE3-AQ)；模拟时间设置同气象模式；除第一次运行外，模式初始场采用前一时次的模拟输出，以保证污染源排放的累积效果。

CMAQ 4.6所需的污染源排放资料主要取自ACE-Asia和TRACE-P试验的东亚地区1°×1°污染源清单^[4]。将福岛核电站泄漏源视为连续点源，认为核泄漏发生在数值模式最接近地面的大气层。根据福岛核电站附近的核泄漏物质的监测数据(http://fleep.com/earthquake/)，将人工放射性核素(A25J)的排放分为三个阶段：3月12日00时至15日15时、3月15日16时至20日12时、3月20日13时至30日00时。假定各阶段人工放射性核素(A25J)分别以1×10^-3、30×10^-3和10×10^-3 g·s^-1的定常速率向大气中排放。由于模式物种A25J与核物质单位不一致，为便于分析，将A25J单位无量纲化(除以全场最高浓度)。在整个过程中不考虑核泄漏物质自身衰减。

3 模拟结果及分析 3.1 核泄露物质沉降量分析

图 2为模拟的人工放射性核素沉降量的水平分布情况。由图 2可知，核泄漏物质主要影响福岛核电站附近区域和西北太平洋海区，除福岛核电站附近地区达10%的辐射量级外，其他受影响地区辐射量较小，基本上低于1%的辐射级，辐射影响极其轻微。核泄漏发生前期(图 2a~2c)，核泄漏物质主体呈带状向东传输至西北太平洋海区，在此期间，受辐射影响范围较小，辐射量相对偏大；后期(图 2d~2f)，随着核泄漏物质的进一步扩散，俄罗斯东南部、我国东北地区与东南沿海一带、太平洋西部海域陆续受到核泄漏物质的影响，但辐射程度极其轻微，仅为10^-4%~10^-7%的辐射级。根据我国环境保护部发布的全国环境辐射监测结果，3月26日黑龙江省东北部监测到极微量人工放射性核素，3月29日我国东南沿海部分地区监测到极微量人工放射性核素。因此，模拟结果较为真实地反映了此次核泄漏物质的水平扩散过程。

图 3为模拟的近地面风场分布情况。气象条件尤其是风场对核泄漏物质的传输具有非常重要的影响，它们的一致对应关系在图 2和图 3中有很好的体现。核泄漏发生前期(图 3a~3b)，福岛及其以东海域主要受西北太平洋低压的气旋式风场控制，受其影响，核泄漏物质自西南向东北呈带状传输。随着低压的东移远去，日本东部海域变为反气旋式环流(图 3c)，受其影响，核泄漏物质主体折向西南海域传输(图 2c)。3月26日00时(图 3d)，又一低压系统于日本东部海域形成，我国东北地区至俄罗斯东南部风速较小且风向比较凌乱，此种环流形势下，前期已传输至俄罗斯东南部和日本北部的微量核物质容易向我国东北境内扩散(图 2d)，并在后期偏北气流的输送下，逐步扩散至我国华北和东南沿海地区(图 2e~2f)，但辐射量级极其轻微。此外，对比图 2与图 3还可以发现，风速大小与核泄漏物质的沉降量是一致的负相关关系，风速较大的地区其核物质沉降量低，反之亦然。

3.2 核泄漏物质垂直剖面分析

图 4和图 5分别为人工放射性核素(A25J)的经向、纬向垂直剖面扩散情况(过福岛核电站)。由图可知，核物质自福岛核电站向东西(南北)不断扩散，但以偏南(图 4)、偏东(图 5)向传输为主，且偏东向传输量要大于偏南向传输量。核物质垂直扩散能到达较高的高度，但极值辐射区始终位于福岛核电站周边的近地面层(500 m高度以下)，且随着高度的增加，辐射级呈指数关系迅速降低至极微量级。其中，19日09时(图 4c)，除福岛以南地区存在较大范围辐射区外，北面的俄罗斯东南部上空也出现了微量核辐射，辐射量级为10^-6%~10^-3%，这为后期核物质在东亚气旋的作用下进入我国东北地区提供了物质条件。自26日00时起(图 5d~5f)，极微量的核物质在偏东气流作用下(图 2d~2f)逐渐向西扩散至我国东部海域，并最终影响我国东南沿海地区，但辐射量级极其轻微，仅为10^-9%~10^-6%。

3.3 核泄漏物质垂直廓线结构

图 6为日本福岛核电站和我国黑龙江省虎林县的单站人工核放射性核素(A25J)垂直廓线图。由图 6a~6b给出的两个时次图可知(其他时次图相似)，福岛核电站核物质浓度随高度基本呈指数递减，其中19日09时福岛核电站核辐射最严重，为全过程的最高辐射级。

黑龙江虎林县是我国首次监测到核辐射的地区之一，分析其辐射量垂直廓线的演变有助于揭示核物质影响我国东北的整个过程。核泄漏发生前期(图 6c)，首先受到核辐射影响的是虎林县高层大气，但所受核辐射量极其轻微，辐射级峰值低于10^-26%，近地层基本上不受核辐射。随着福岛核泄漏物质的持续扩散与不断沉降，虎林县近地层核辐射量级增大明显(图 6d)，至19日09时(图 6e)，整层大气均受到极微量核辐射影响，但辐射级仍在10^-26%以下。26日00时(图 6f)，虎林县高层的核物质较前期显著增加，峰值达6×10^-7%。这与虎林县在3月26日首次监测到人工放射性核素的客观事实非常吻合。此后，高层核物质不断沉降影响低层，至29日09时(图 6h)，虎林县近地层所受核辐射均达到同期最高，但仍低于5×10^-7%辐射级。

由此可推知，福岛核物质首先通过高空环流输送至我国东北上空，然后从两方面进一步影响我国东部地区：(1) 在高空流场作用下向东北南部、华北等地区扩散；(2) 不断沉降并影响近地层大气。

3.4 核泄漏物质扩散路径模型

综合上述分析每小时一次的模式多层结果(图略)，可以得知：福岛核事故期间，核物质主要通过东北路径和偏东路径影响我国。图 7为此次核事故期间核泄漏物质的扩散路径模型示意图，其清晰地阐述了这两条扩散路径：(1) 东北路径或气旋路径，即核物质受东亚气旋影响首先传输至日本北部上空和俄罗斯东南部上空，然后折向偏西、西南方向进入我国东北地区高空，此后，核物质一边在高空偏北气流的影响下向东北南部、华北等地区扩散，一边不断沉降影响低层大气。(2) 偏东路径或反气旋路径，即核物质在西北太平洋反气旋环流影响下沿偏东方向传输至我国东南沿海地区；由于反气旋环流盛行下沉气流，所以偏东路径主要影响近地层大气。

4 结论

本文采用空气质量模式(Models-3/CMAQ)对2011年3月日本福岛核事故进行了数值模拟，并从核物质水平沉降分布、垂直剖面分布以及单站核物质垂直廓线结构对模拟结果进行了详细分析。通过分析，主要得出如下结论。

(1) 模拟结果较为真实地反映了此次核扩散过程。模拟期间，核泄漏物质主要影响福岛核电站附近区域和西北太平洋海区，其他地区辐射量较小，我国所受辐射影响极其轻微。

(2) 核物质能垂直扩散至较高的高度，源区极值辐射区始终位于福岛核电站周边的近地面层，随着高度的增加，辐射级呈指数关系迅速降低。

(3) 提出了模拟期间福岛核物质扩散路径模型，指出福岛核泄漏物质主要通过东北路径(高空路径)和偏东路径(近地层路径)影响我国。

最后，为提高模拟的定量化水平，下一步将采用更精确的实际监测数据作为核物质泄漏源进行模拟。