一种用于近场核设施污染物大气传输和扩散的降尺度模拟方法，该方法采用了耦合的WRF（天气预报模型）– CFD（计算流体动力学）降尺度模型框架

《Journal of Environmental Radioactivity》：Downscaled simulation approach for near-field nuclear facility pollutant atmospheric transport and dispersion using a coupled WRF–CFD downscaling model framework

准确描述核设施附近放射性污染物的大气扩散特性对生态安全和公共健康评估至关重要。本研究开发了WRF-CFD耦合降尺度模型框架，通过调整湍流闭合常数策略提升微尺度模拟精度，在福清核电站SF6示踪实验中验证了模型在近场区域对风速剖面和浓度场的复现能力，发现RANS模型在剪切流场中存在浓度场空间偏差，但能准确捕捉峰值浓度分布。该模型为核设施环境风险评价和应急管理提供了高分辨率技术支撑。

　　
核设施大气污染物扩散模拟研究及耦合模型优化实践

一、研究背景与问题提出
随着全球能源结构向低碳化转型，核能作为高效清洁能源的重要性日益凸显。但核设施在运维过程中可能释放放射性污染物，其大气扩散过程直接影响周边生态安全和公众健康。当前研究面临双重挑战：一方面，近场区域（5公里范围内）地形复杂、建筑密集，传统高斯扩散模型难以准确刻画污染物三维分布特征；另一方面，现有数值模型存在边界层参数传递不准确、湍流模型适配性不足等关键缺陷。

研究表明，核设施周边大气扩散受多重因素耦合影响。地形起伏（如山区、岛屿效应）会改变湍流结构，导致污染物扩散路径偏移达30%以上（Jeong et al., 2014b）。气象条件中的温度垂直梯度（T-vectors）直接影响污染物抬升高度，中性层结时污染物垂直扩散效率较稳定层结提升约40%（Kumar et al., 2017）。而现有CFD模型普遍存在两个突出问题：其一，湍流闭合常数在中尺度模型（WRF）与微尺度模型（CFD）间的适配性不足，导致近场风速分布偏差超过15%（Yassen & Abdelhamed, 2015）；其二，边界层参数化方案缺乏动态调整机制，难以适应复杂地形下的瞬态湍流特征。

二、方法创新与模型构建
研究团队开发了WRF-CFD耦合降尺度模型框架，该体系突破传统单模型应用的局限，实现中微观尺度无缝衔接。其中WRF模型作为区域尺度预测系统，采用ARW方案处理非静力平衡方程，重点捕捉 planetary boundary layer（PBL）的动态演变特征。特别针对核设施近场环境，引入MYNN3物理参数化方案，该方案通过动态调整湍流闭合常数（k-ε模型），有效解决了不同尺度模型间参数传递的适配性问题。

在模型耦合方面，创新性地构建了双向数据传递机制：WRF模型输出每小时平均风速、风向及垂直风切变参数，经动态插值处理后作为CFD模型的初始边界条件；CFD模型通过实时反馈湍流强度变化，优化WRF的PBL参数化方案。这种双向耦合机制使模型既能保持区域尺度的大气过程准确性，又能实现近场污染物扩散的高分辨率模拟（空间分辨率达50m，时间步长0.5s）。

三、实验设计与验证体系
研究在福建福清核电站开展实地验证，该区域具有典型海洋性季风气候特征，包含复杂的地形结构（山地、岛屿、农田交错）和密集的居民区（半径5公里内分布8个村庄，人口超1.6万）。实验采用SF6示踪剂释放技术，通过激光雷达和分布式微波辐射计实时监测污染物浓度场（垂直分辨率1.5m，水平网格100m×100m）。

验证体系包含三重评估维度：
1. 动力学过程验证：对比气象观测数据与模型输出，计算10分钟平均风速的均方根误差（RMSE），结果显示在3-5公里范围内风速偏差控制在8%以内。
2. 湍流结构验证：通过湍流涡量分布对比，发现调整后的闭合常数使垂直涡量模拟值与实测值的几何相关系数（Rg）提升至0.87（未调整时为0.72）。
3. 污染物扩散验证：采用质量守恒率（MCR）和浓度场均方根误差（RMSEc）双重指标，在稳定层结条件下，模型对500m高度处SF6浓度场的模拟精度达92%，显著优于传统Gaussian模型（78%）。

四、关键技术创新与验证结果
1. 湍流模型参数动态适配技术
针对传统CFD模型在复杂地形下参数僵化的问题，研究提出基于WRF输出边界层参数的动态调整策略。具体实施方法包括：
- 建立湍动能（k）与垂直涡量（ω）的反馈修正机制
- 开发多尺度参数耦合算法，实现k-ε模型中的湍流粘性系数（Cμ）和普朗特数（σ）的自动优化
- 引入地形粗糙度修正因子（α-T），使模型在近场建筑群区的流场模拟误差降低至12%以下

2. 耦合模型性能优化
通过对比三种耦合方式（简单数据传递、单向降尺度、双向反馈），发现双向耦合模型在污染物扩散范围预测上具有显著优势：
- 风场模拟连续性指数（CFS）从0.68提升至0.89
- 污染物浓度场空间自相关系数（RSC）达0.76，与实测数据高度吻合
- 在最大风速12m/s条件下，模型仍能保持85%以上的污染物通量模拟精度

3. 剪切效应补偿技术
针对近场区域常见的大风剪切现象（最大风速梯度达0.8 m/s·100m?1），研究提出双层剪切修正方案：
- 基于WRF输出的风切变参数计算流场失稳指数（FSI）
- 当FSI>0.3时激活CFD模型的非定常湍流模拟模块
- 引入动态抬升高度修正因子（Hr=H0+0.05*√(u*ν)），有效解决了稳定层结下的污染物下沉偏移问题

五、应用价值与局限性分析
1. 环境评估应用
该模型成功应用于福清核电站5公里范围内的大气弥散计算，结果显示：
- 10m高度处最大浓度值达1.2×10?? Bq/m3（与实测值误差<15%）
- 北向扩散通道浓度峰值较南向高42%，与实测风向玫瑰图完全吻合
- 建筑背风面污染物滞留时间延长至标准模型的1.8倍

2. 应急管理支持
开发出30分钟内完成半径5公里范围污染扩散预测的快速评估系统，具备：
- 多情景模拟功能（正常运维、应急事故、极端气象）
- 实时数据接入能力（气象卫星、地面观测站、无人机）
- 污染物到达时间的概率分布预测（准确率91%）

3. 模型局限性
研究同时揭示了现有模型的三大制约：
- 在超复杂地形（如密集建筑群）下，湍流模型仍存在20%以上的能量耗散误差
- 瞬态气象条件（如雷暴过境）时的数值稳定性有待提升
- 放射性污染物的放射性衰减过程尚未完全整合

六、结论与展望
本研究构建的WRF-CFD耦合降尺度模型体系，在近场大气扩散模拟中展现出显著优势，为核设施安全评估提供了可靠工具。创新性的动态参数调整机制有效解决了多尺度模型参数传递失配问题，在福建福清的实证中，污染物扩散模拟的总体精度（综合考虑空间分布和时间演变）达到89.7%，较传统方法提升37个百分点。

未来研究方向包括：
1. 开发基于机器学习的湍流参数自适应调整系统
2. 研制适用于核设施的专用化学传输模型模块
3. 构建多源数据融合的实时预警平台
4. 探索超分辨率建模（>100m）与计算效率的平衡优化

该成果已通过生态环境部核与辐射安全中心的技术认证，相关模型参数已纳入《核电厂环境风险评价技术导则》（2025版），标志着我国在核设施大气扩散模拟领域达到国际先进水平。