用于大气扩散评估的气象基线的非平稳性：韩国某核设施站点32年的双高度案例研究

《Atmospheric Environment》：Nonstationarity of meteorological baselines for atmospheric dispersion assessments: A 32-year dual-height case study at a nuclear facility site in South Korea

　　摘要
在核设施和工业场所进行大气扩散评估时，通常依赖于被认为是恒定的、特定地点的气象基线数据。然而，在气候变化和土地利用变化的影响下，这些基线的稳定性却很少受到观测研究。气候和土地利用的变化可能会影响边界层风速、热分层以及大气混合过程，从而可能降低用于环境评估的气象记录的代表性。通过利用位于韩国大田的韩国原子能研究所（KAERI）在10米和67米高度上进行的32年（1993-2024年）连续观测数据，我们分析了本研究中提出的复合扩散潜力指数（DPI）及其背后的温度、稳定性和风场趋势，并使用了Mann-Kendall检验和Theil-Sen斜率方法进行解析。在风速大于或等于1.0米/秒的条件下，两个高度上的DPI均显著增加，表明气象基线并非恒定。DPI在156个评估窗口中均能跟踪到基于监管标准的扩散因子??/??的变化；同时，在包括农村地区在内的六个区域气象站也重现了10米高度上的风静息现象，这表明存在区域性趋势，而非单一地点的异常现象。对数据的对数分解显示，在10米高度上机械风静息效应占主导地位，而在67米高度上则是层平均热稳定性效应更为显著。双高度分析区分了无法通过单一测量高度或单一数值监管因子来解析的机械和热贡献。这些发现表明，气候和土地利用的变化可能会改变与扩散相关的基线，其中地表响应与区域性风静息现象一致，而高层响应则与更广泛的变暖趋势相符。

引言
大气扩散模型的建立从根本上依赖于边界层风速和大气稳定性的长期稳定性。大气扩散因子??/??（单位释放率??下的地面空气浓度??）受地表风速、热分层和混合高度的影响（Garratt, 1992; Stull, 1988）。扩散能力指的是大气通过平流和湍流混合稀释空气释放物的能力，这一能力由风速和热分层对??/??的综合效应决定。尽管长期监测塔能够观测到这些变化，但气候变化和土地利用变化是否会导致这种能力持续保持稳定却鲜有观测数据支持。这一问题在受监管的工业设施中尤为重要，因为这些设施的观测数据常被直接用于扩散评估（IAEA, 2011; USNRC, 2007）。最近的国际原子能机构（IAEA, 2011）和美国政府问责局（GAO, 2024）的建议也要求重新评估这些设施的场地特性随时间的变化情况。维护此类记录本身就具有挑战性：仪器需要定期升级，且在解读任何趋势之前必须先解决测量数据的不连续性问题（第2.3节）。

气候和土地利用变化可能通过两种途径改变与扩散相关的气象条件：首先，非对称变暖导致最低温度上升速度超过最高温度，从而压缩了昼夜温度范围（DTR）（Easterling et al., 1997），这会改变夜间边界层的稳定性（Davy and Esau, 2016），进而抑制垂直混合，延长近地面浓度的持续时间并降低有效的混合深度。其次，大规模的地表粗糙度增加以及大尺度气压梯度的减弱（Xu et al., 2006）通常会导致地表风速降低（Vautard et al., 2010; McVicar et al., 2012），这种现象在北半球普遍存在（Vautard et al., 2010, McVicar et al., 2012）。风速的减小会降低平流稀释效应，并增加大气停滞现象的发生频率（Horton et al., 2014; Jacob and Winner, 2009）。这些热力学和机械过程通过不同的机制影响扩散能力（Garratt, 1992; Stull, 1988），但在单一测量高度上很难区分它们的相对贡献，因为地表粗糙度效应和更广泛的气候信号会同时存在。

先前的研究已经记录了这些变化的个别方面。尽管Horton等人（2014）预测未来变暖情景下大气停滞事件的增加，但这些研究通常没有区分机械和热效应的贡献。关于地表风速静息的区域性评估（Vautard et al., 2010; Chen et al., 2020）主要依赖10米高度的观测数据，而这种数据更受地表粗糙度的影响；对于更高高度上的扩散效应，尤其是地表粗糙度影响减弱时可能出现的热效应，研究较少。关于夜间边界层变暖的研究（Davy and Esau, 2016）大多关注热力学机制。然而，这两种过程很少在单一长期的双高度数据记录中得到区分，而且受监管设施中与扩散相关的基线非稳定性也很少被研究。

要解决这些问题，需要在多个高度进行观测。然而，常规的气象网络通常只在单一标准高度（10米）测量风速，因此无法获得定义稳定性的垂直温度梯度或区分机械和热效应所需的第二个高度数据。高空气流可以通过无线电探空仪或多普勒激光雷达进行剖面测量，但这些方法不适合用于趋势检测所需的多十年连续数据记录。只有少数受监管设施配备多高度观测塔，这些塔通常会在释放源附近进行高空气流观测。这种长期的双高度记录为研究长时间内与扩散相关的气象变化提供了难得的机会。因此，本研究探讨了在32年（1993-2024年）内受监管双高度设施的扩散相关气象基线是否保持稳定，如果没有保持稳定，那么是哪种过程（机械效应还是热效应）驱动了这种变化。为此，我们从韩国大田的KAERI塔记录计算了复合扩散潜力指数（DPI），并将其对数分解为两个高度上的风速和稳定性贡献。由于DPI是一个简化的、可由塔观测获得的指标，在解释其长期趋势之前，我们先将其与监管标准??/??进行了对比。同时，还将地表观测数据与区域气象站的观测数据进行了比较，以评估观察到的趋势是否反映了更广泛的区域趋势，而非特定地点的特征。

研究地点和观测数据集
观测地点位于韩国半岛内陆（约36.4°N, 127.4°E）的KAERI。大田是该国第五大城市，人口约150万，周围被山脉环绕，这种地形在弱天气条件下容易形成大气停滞。周边景观包括低至中等高度的丘陵和郊区开发区域。

温度和变暖趋势
在32年的研究期间，统计上检测到显著的温度升高现象，且存在明显的昼夜温差不对称性（表1；图1）。在67米高度，年平均温度以每十年+0.327°C的速度升高（p=0.027），而在10米高度这一趋势未达到统计显著性（+0.267°C/十年）。夜间温度升高的趋势最为明显：67米高度的夜间温度以每十年+0.327°C的速度升高（p=0.041），而10米高度的夜间温度升高速度为+0.294°C/十年。

观测到的扩散变化机制
检测到的变化可以归因于两种不同高度的贡献。在10米高度，主要机制是机械效应：2014年之前的日变化率（????）大约是热效应（????）的6.7倍（第3.4节），这与对数风廓线理论一致（Stull, 1988）；第4.3节提供了关于地表粗糙度增加的独立证据。在67米高度，风速贡献（????）不显著，因此热效应（????）成为唯一具有统计显著性的因素。

结论
通过利用韩国大田KAERI的32年（1993-2024年）双高度气象观测数据，本研究探讨了在大气扩散评估中使用的气象基线是否可以在多十年时间尺度上保持稳定。利用可由塔观测获得的复合扩散潜力指数（DPI），通过对数分解分离出与风速和稳定性相关的贡献。

作者贡献声明
Juyeol Yun：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件开发、方法论研究、数据分析、概念构建。
Mee Jang：撰写——审稿与编辑、项目管理、资金获取。
Jong-Myoung Lim：撰写——审稿与编辑、项目管理、资金获取。
Jinhyung Lee：撰写——审稿与编辑、数据分析。
Sangdo Choi：撰写——审稿与编辑、数据分析。
Seung-Min Lee：撰写——审稿与编辑。

在撰写过程中，作者使用了Claude Code（Anthropic）来完成基础设施任务，包括LaTeX编译自动化和文件组织。在撰写、数据分析或结果解释过程中未使用任何生成式人工智能。英文编辑由Editage完成。作者对所有内容负责。

利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的报告结果。

致谢
本研究得到了韩国原子能研究所（KAERI）机构项目（项目编号522610-26）的支持。Minseok Kang和Seungmin Lee的贡献得到了韩国教育部（MOE）和江原省（Gangwon Province）资助的江原RISE中心区域创新系统与教育（RISE）Glocal University 30项目（2025-RISE-10-002）的支持。

作者名单：
Juyeol Yun | Mee Jang | Jong-Myoung Lim | Jinhyung Lee | Sangdo Choi | Seung-Min Lee | Minseok Kang
韩国原子能研究所环境放射性评估团队，大田，韩国