本發(fā)明屬于核與輻射突發(fā)事件后果大尺度模擬領(lǐng)域，具體涉及一種氣載放射性核素長距離遷移軌跡計算方法。
背景技術(shù)：
一直以來，世界各國均非常重視和關(guān)注放射性核素大尺度大氣遷移問題，不僅是軍事、國防方面的需要，而且是核事故應(yīng)急、環(huán)境危害問題的需要。放射性物質(zhì)在大氣中的長距離遷移和后果評價與分析技術(shù)涉及眾多的科學領(lǐng)域，屬于多學科交叉的技術(shù)，模擬技術(shù)和評價方法也在不斷地更新與發(fā)展，因此，包括美國、歐盟、日本在內(nèi)的發(fā)達國家、地區(qū)也在不斷加強該技術(shù)的研發(fā)。另外，放射性核素大尺度遷移數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)作為一種國家的技術(shù)資源，隨著相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的不斷發(fā)展與更新，從戰(zhàn)略角度考慮，一個國家必須有技術(shù)儲備和可持續(xù)發(fā)展的能力。當前國際形勢變化多端，需要我們不斷建立與完善大氣輸運模擬技術(shù)，并提供技術(shù)支撐。
近些年來，在朝核試驗、日本福島核電泄漏等事件接連發(fā)生的情況下，建立并不斷完善一套可應(yīng)對我國周邊數(shù)百至數(shù)千公里范圍內(nèi)氣載放射性物質(zhì)釋放情形應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)的必要性已經(jīng)成為共識。該系統(tǒng)的建立將為決策人員能夠面對類似事件，快速、科學、有效地提出決策建議與方案，最終達到保護我國公眾與環(huán)境安全的目標。
為此，中國輻射防護研究院自主開發(fā)、建立了核與輻射突發(fā)事件后果大尺度模擬系統(tǒng)，可應(yīng)對全球范圍的核與輻射突發(fā)事件下，氣載放射性物質(zhì)的遷移、擴散及其環(huán)境安全后果的評價系統(tǒng)。針對朝鮮核試驗，根據(jù)總裝的要求，定期提供階段報告預(yù)測和分析了朝鮮核試驗場址以及寧邊核場 址放射性核素釋放大氣遷移對我國的影響。目前已成功用于對日本福島核事故、朝鮮第三次核試驗事件的有效響應(yīng)。
境外核爆輻射后果評價系統(tǒng)是通過將區(qū)域氣象數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品和中長距離放射性污染物遷移模擬和后果評價集成為一體。該系統(tǒng)設(shè)計為一個連接多種模型、數(shù)據(jù)庫和地理信息的綜合系統(tǒng)，用以模擬、預(yù)測和評估指定區(qū)域范圍內(nèi)突發(fā)事件產(chǎn)生的影響。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明提供一種氣載放射性核素長距離遷移軌跡計算方法，能夠?qū)廨d放射性物質(zhì)的遷移、擴散及其環(huán)境安全后果進行評估，為決策人員面對突發(fā)事件時，快速、科學、有效的提出決策建議與方案，最終達到我國公眾與環(huán)境安全的目的。
為達到以上目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：提供一種氣載放射性核素長距離遷移軌跡計算方法，包括如下步驟：
1)獲取并存儲天氣預(yù)報數(shù)據(jù)及模式參數(shù)；天氣預(yù)報數(shù)據(jù)包括兩個水平風分量u、v和一個垂直風分量w三維場及地表壓力ps二維場；模式參數(shù)包括軌跡類型、坐標系類型、軌跡方向、時間長度、起止時間、軌跡時間間隔、軌跡初始坐標及區(qū)域范圍。
2)空間和時間坐標轉(zhuǎn)換；是將等壓層氣象數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為隨地笛卡爾坐標；
3)通過解二階差分形式的軌跡運動方程，
4)通過風場插值法，對兩個水平風分量u、v和一個垂直風分量w坐標轉(zhuǎn)換；
5)計算軌跡所在的位置，判斷軌跡是否終止，如果軌跡終止，輸出軌跡，結(jié)束計算；如果軌跡未終止或有新軌跡，返回步驟3)，繼續(xù)計算。
進一步，在步驟3)中，如果計算時間步長δt內(nèi)氣團運動加速度恒定，那么運動軌跡的坐標可由下列方程表述：
進一步，步驟4)中，兩個水平風分量u、v采用雙三次插值法、垂直風分量w采用多項式內(nèi)插法。
進一步，步驟5)中，軌跡所在的位置，通過下列公式計算，即
x(2)＝x(1)*δt*u
y(2)＝y(tǒng)(1)*δt*v
z(2)＝z(1)*δt*w
其中，x(1)、y(1)、z(1)分別為當前時刻放射性核素位置；x(2)、y(2)、z(2)分別為下一時刻該放射性核素的位置；u、v、w風別為粒子所在位置風速三維方向的風分量，δt為時間步長。
本發(fā)明的有益技術(shù)效果在于：本發(fā)明通過解二階差分形式的軌跡運動方程，確定空氣質(zhì)點的運行軌跡，從而對氣載放射性物質(zhì)的遷移、擴散及 其環(huán)境安全后果進行評估，為決策人員面對突發(fā)事件時，快速、科學、有效的提出決策建議與方案，最終達到我國公眾與環(huán)境安全的目的。
附圖說明
圖1是本發(fā)明氣載放射性核素長距離遷移軌跡計算方法的流程圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細的描述。
如圖1所示，是本發(fā)明提供的氣載放射性核素長距離遷移軌跡計算方法，包括如下步驟：
(1)獲取并存儲天氣預(yù)報數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)和模式參數(shù)。
天氣預(yù)報數(shù)據(jù)包括兩個水平風分量u、v、一個垂直風分量w、溫度t三維場、地表壓力ps二維場；地形數(shù)據(jù)包括地球表面經(jīng)度和緯度；模式參數(shù)包括軌跡類型(等壓軌跡)、坐標系類型(笛卡爾坐標)、軌跡方向、時間長度、起止時間、軌跡時間間隔、軌跡初始坐標、模擬區(qū)域范圍。
(2)進行坐標變換。該坐標變換是提供已知的方法將等壓層氣象數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為隨地笛卡爾坐標。
(3)根據(jù)軌跡的運動方程，確定空氣質(zhì)點的運動軌跡。
一般地，每一條計算的大氣軌跡代表一個空氣團運動的時空軌跡。我們將這些軌跡作為是對某種物質(zhì)擴散煙云平均運動的估計。
tramodel軌跡模式通過解二階差分形式的軌跡運動方程確定空氣質(zhì)點(或氣團)運動的軌跡。
假設(shè)一個氣團為無限小，看作是一個質(zhì)點，那么質(zhì)點在指定的一段時間內(nèi)走過的路徑稱為該質(zhì)點的軌跡。軌跡的方程為：
其中，xi(t)＝[x(t),y(t),z(t)]為t時刻質(zhì)點(或氣團)的坐標(x,y,z)；
對于所研究的問題需要進行離散化處理，因此，需用有限差分近似的形式解方程(1)。這意味著，數(shù)值計算的精度取決于方程(1)泰勒展開式二階或高階項的取舍。如果軌跡計算的積分時間步長很短，則一階形式的差分方程的計算精度足以滿足要求。綜合考慮計算機資源和計算精度，同時考慮到氣象場離散的時間間隔，二階形式的差分方程是較理想的。這樣，當假定在計算時間步長δt(或風觀測周期)內(nèi)氣團運動加速度恒定，則其運動軌跡的坐標可由下列方程表述：
對于方程(2)求解，當給定初始條件v0[x0i(t),t](即u(x0,y0,z0,t)、v(x0,y0,z0,t)和w(x0,y0,z0,t))，通過迭代計算就可以確定空氣氣團運動的軌跡，式中：x0、y0、z0分別為笛卡爾坐標系中的初始坐標。
(4)利用風場插值法，對兩個水平風分量u、v和一個垂直風分量w坐標轉(zhuǎn)換，即將等壓層氣象數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為隨地笛卡爾坐標。
(5)計算軌跡所在的位置，通過粒子所在位置由該時刻風場與計算時間步長決定，即
x(2)＝x(1)*δt*u
y(2)＝y(tǒng)(1)*δt*v
z(2)＝z(1)*δt*w
其中，x(1)、y(1)、z(1)分別為當前時刻放射性核素位置；x(2)、y(2)、z(2)分別為下一時刻該放射性核素的位置；u、v、w風別為粒子 所在位置風速三維方向的風分量，δt為時間步長。
(6)根據(jù)軌跡所在的位置，確定軌跡是否終止，如果終止，輸出軌跡，結(jié)束程序；如果未終止或有新軌跡，返回步驟(3)，繼續(xù)計算。
其中：(a)關(guān)于坐標系
本發(fā)明坐標系可采用混合坐標系，即x、y、η坐標，其中η是一種對氣壓坐標進行變換的垂直坐標，η與氣壓坐標的變換方法為：
pk＝ak+bkps
ηk＝ak/p0+bk
(3)
其中，ηk為模式第k層的η值；ps為地表壓力；p0為壓力常數(shù)(101325pa)。ak和bk為系數(shù)，由最接近地表(隨地坐標)的值和最大壓力高度層的值確定，中間高度層的系數(shù)值則根據(jù)隨地表層和壓力高度層之間的壓力梯度確定。
此外，如果緯度超過75°時考慮極地立體投影。
(b)時間、空間分辨率
模式的時間、空間分辨率取決于兩方面因素：一是輸入資料的時間、空間分辨率；二是模式計算的時間、空間分辨率，在輸入資料的時空分辨率一定的情況下，模式計算的時空分辨率主要取決于時間步長。
b1、輸入資料的時間、空間分辨率
在數(shù)值模式中，地形和氣象數(shù)據(jù)的空間分辨率是一致的，可接受的空間分辨率從0.25°到2.5°，時間分辨率從3h到12h。
數(shù)值計算分析結(jié)果表明，隨著風場網(wǎng)格分辨率的降低，數(shù)值模擬結(jié)果的準確程度也隨之降低。數(shù)值模擬實驗表明：風特征大約可以被0.5°(約45km)空間分辨、6小時時間分辨水平的預(yù)報風場解析，而利用2.5°(約225km)與12小時的時空分辨預(yù)報風場則無法滿足需要。因此，可以認為6小時的風場時間間隔是大尺度模式運行的基本條件。綜合考慮模擬精度和 計算資源與計算速度，在本系統(tǒng)中采用0.5°的空間分辨率、3～6小時的時間分辨率水平完全滿足實際應(yīng)用的需要。
b2、時間步長
時間步長的確定取決于網(wǎng)格的格距、風速和離散風場的時間間隔，從空間角度遵循：
其中，δxi為空間格距，i代表三個方向；vi分別代表三個方向的風分量。從時間角度遵循：
其中，δt風場為輸入風場的時間間隔，即風觀測或數(shù)值天氣預(yù)報風場的周期。粒子遷移計算模式的時間步長最大值要小于δt空間和δt時間的最小值，最小時間步長可為1秒。
(c)插值方法
計算中，在空間水平方向采用雙三次插值法、在垂直方向采用多項式內(nèi)插法、在時間上采用線性內(nèi)插法，在計算時間可接受的情況下上述插值方法具有較高的精度。
(d)輸入數(shù)據(jù)
軌跡模式tramodel運行需要4個三維場：兩個水平風分量u和v，一個垂直風分量w以及溫度t。如果沒有垂直風數(shù)據(jù)，則不能計算3d軌跡，但其它類型軌跡仍能計算，如等熵軌跡，以及2個二維場：地形zoro和地表壓力ps。一個重要的約束條件是用于模式運行的所有數(shù)據(jù)場都必須有相同的范圍尺寸、分辨率、高度層數(shù)。
本發(fā)明的氣載放射性核素長距離遷移軌跡計算方法，并不限于上述具體實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案得出其他的實施方式，同樣屬于本發(fā)明的技術(shù)創(chuàng)新范圍。