摘要
对放射性烟羽扩散进行准确且计算高效的预测，对于在意外大气释放事件中进行快速风险评估和应急响应至关重要。本研究提出了一种三维、质量守恒的数值框架，用于模拟在不同气象条件下放射性核素的中尺度输送和转化。所提出的模型基于平流 - 扩散方程，并纳入了关键物理过程，包括湍流扩散、重力沉降、降水冲刷、放射性衰变、地表吸收和再释放。开发了一种混合数值格式，将用于扩散项的半隐式 Crank–Nicolson 离散与用于平流的采用 Van Leer 限制器的二阶全变差减小 (TVD) 格式相结合。该框架旨在作为一种计算可行的工程模型；其操作适用性需要通过实测运行性能和独立的物理验证进行进一步评估。此外，引入了湍流扩散系数的改进参数化，扩展了经典的 Pasquill–Gifford 公式，以更准确地表示具有有界扩散特征的中尺度大气行为。数值实现通过与解析常数系数平流 - 扩散解的对比进行了验证，使用了浓度误差范数、烟羽矩误差、质量平衡分析和网格细化测试。额外的理想化碘 -131 模拟说明了该框架在中等风速和稳定大气条件下的行为。结果突出了在中等风速条件下平流输送和降水清除的主导作用，以及在稳定大气层结下的强烈局部化效应。所提出的模型在高斯烟羽方法的简单性和全物理大气模型的高计算成本之间提供了一种实用的折衷方案，表明其在快速工程计算方面的潜力，但需针对大气观测和已确立的操作扩散模型进行进一步验证。
