一种核事故早期地面辐射场同化系统的制作方法

本实用新型涉及核事故应急响应的技术领域，特别是涉及一种核事故早期地面辐射场同化系统。

背景技术：

能源是推动现代生活进步的重要组成部分已然成为了现在重点研究的内容，核能源(或称原子能)是通过转化其质量从原子核释放的能量，具有使用时污染低、能源丰富及运输方便、成本低的能源优势而广泛地受人们关注。

然而核电厂(或放射性或其他因素潜在危险较大的某些核设施)可能由于设计缺陷、机械故障、设备制造的潜在原因、运行失误或其他外界因素造成在核设施内部发生意外情况，在这种状态下，放射性物质的释放可能或已经失去应有的控制，达到不可接受的水平，致使工作人员及至公众可能会受到放射性物质的辐射照射。

为使危害降到最小，需要在核事故发生后特别是事故早期预测辐射污染物质的扩散情况并据此制定应急响应计划，指导民众采取相应的应急措施。必须认识到，在事故早期的应急响应阶段，各种各样的不利因素在制约着辐射污染扩散的模拟，包括：源项和释放率的不确定性、释放次数和持续时间部分未知、气象场的快速变化以及核电站周围的复杂地形。

事实证明，在核电站核事故发生后的早期，仅靠模拟不可能得到如上辐射污染扩散的预报结果。福岛核电站核事故发生时，日本的核事故应急决策支持系统SPEEDI并没有达到日本当局的期望。根据事后报告，日本文部科学省MEXT通知将SPEEDI切换到应急响应模式，SPEEDI利用从反应堆设施中获取到的源项信息及日本气象局JMA提供的气象数据和当地地形数据展开预测。然而本应提供源项信息的传感器网络遭到严重破坏，没有数据。在这种情况下，设置了各种可能的情景以为SPEEDI提供模拟的源项信息，SPEEDI随之开始预测。由于模拟结果与实测数据存在较大偏差，而且对于模拟结果的使用没有清晰的责任界定，保守起见，日本政府也没有依据SPEEDI的模拟结果采取防护措施和确定疏散区域。实践证明，模式模拟与核事故早期应急响应的需求还有一定差距。

辐射污染扩散数据同化综合利用了观测数据与模式模拟的信息，近年来得到了一定程度的发展。必须认识到，辐射污染扩散数据同化的进一步发展尤其是要满足应急响应的需求还需要解决存在的几个突出问题：

1)辐射监测数据的信息还没有充分发掘。目前而言，核事故发生后，能够获取到的辐射监测数据包括以下三类：空气活度浓度、表面活度和环境γ剂量率。这三类数据中，环境γ剂量率的监测网络一般来说最为密集，并且数据的时间分辨率也最高，但利用率也最低。

2)目前辐射污染扩散问题中采用较多是顺序数据同化的方法，无法同时吸纳多个时刻的观测资料对分析场进行整体优化，该缺憾在采用空气活度浓度(一段时间的均值)作为观测资料时尚不明显，但如采用实时获取的环境γ剂量率作为观测时，势必丢失很多信息；若同时利用不同类型的观测数据，此类方法必然会造成多种资料同化间的不平衡性。

3)现有辐射污染扩散同化中所使用的模式多以简单的直线高斯模式和拉格朗日烟团模式为主，没有紧跟大气污染扩散模式的最新进展。

因此，如何提供一种及时准确地预测出核事故早期地面辐射场的方案是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本实用新型的一个目的是要提供一种核事故早期地面辐射场同化系统，解决现有技术中核事故早期地面辐射场预报系统中没有充分利用辐射监测数据信息、所采用数据同化方法落后及未能紧跟大气扩散模式新进展的技术问题。

特别地，本实用新型提供了一种核事故早期地面辐射场同化系统。

进一步地，包括：地面辐射场信息输入器、地面辐射场信息计算处理器及地面辐射场同化输出器；其中，

所述地面辐射场信息输入器，与所述地面辐射场信息计算处理器相连接，包括：辐射监测数据输入器及天气预报数据输入器；

所述地面辐射场信息计算处理器，与所述地面辐射场信息输入器及地面辐射场同化输出器相连接，包括：中尺度天气预报计算处理器、大气扩散计算处理器、剂量率计算处理器及地面辐射场同化计算处理器；其中，

所述中尺度天气预报计算处理器，与所述天气预报数据输入器相连接；

所述大气扩散计算处理器，与所述辐射监测数据输入器及中尺度天气预报计算处理器相连接；

所述剂量率计算处理器，与所述大气扩散计算处理器相连接；

所述地面辐射场同化计算处理器，与所述剂量率计算处理器相连接；

所述地面辐射场同化输出器，与所述地面辐射场信息计算处理器相连接。

进一步地，所述地面辐射场信息输入器，还包括：源项数据输入器，与所述大气扩散计算处理器相连接。

进一步地，所述辐射监测数据输入器，包括：放射性核素空气浓度数据输入单元、地表γ剂量率数据输入单元及地面沉积浓度数据输入单元；其中，

所述放射性核素空气浓度数据输入单元、地表γ剂量率数据输入单元及地面沉积浓度数据输入单元，与所述地面辐射场信息计算处理器相连接。

进一步地，所述中尺度天气预报计算处理器，包括：天气预报数据接收单元、气象数据动力降尺度单元及高分辨率气象数据处理单元。

进一步地，所述大气扩散计算处理器，包括：放射性核素在大气中扩散模拟单元、核素的空气浓度数据和地面沉积数据计算处理单元及源项传输系数矩阵处理单元。

进一步地，所述剂量率计算处理器，包括：放射性核素的空气浸没浓度接收单元、放射性核素的地面沉积浓度接收单元及放射性核素的地表剂量率计算处理单元。

进一步地，所述地面辐射场同化计算处理器，与所述辐射监测数据输入器及大气扩散计算处理器相连接，包括：辐射监测数据接收单元、大气扩散计算处理数据接收单元、源项反演单元及辐射场同化单元；

所述辐射监测数据接收单元，与所述辐射监测数据输入器及源项反演单元相连接；

所述大气扩散计算处理数据接收单元，与所述大气扩散计算处理器、源项反演单元及辐射场同化单元相连接；

所述辐射场同化单元，与所述大气扩散计算处理数据接收单元相连接。

进一步地，所述地面辐射场同化计算处理器，为基于本征正交分解的集合四维变分同化计算处理器。

进一步地，所述地面辐射场同化输出器，包括：反演源项输出单元及同化地面辐射场输出单元。

本实用新型的核事故早期地面辐射场同化系统由于利用了多种辐射监测数据，包括放射性核素空气浓度数据、地面沉积浓度数据、核素比例数据、剂量率数据，因此可以充分挖掘实测地面辐射场数据中包含的有用信息以提高辐射场预测的准确性。

进一步地，本实用新型的核事故早期地面辐射场同化系统采用了先进的集合四维变分数据同化方法，能够可以同时利用多个时刻的实测数据尤其是实时获取的环境γ剂量率数据对辐射场预报结果进行整体优化。同时采用先进的拉格朗日粒子扩散模式，可以得到更为准确的核事故早期地面辐射场同化的预测结果。

根据下文结合附图对本实用新型具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本实用新型的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本实用新型的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本实用新型一个实施例的核事故早期地面辐射场同化系统的示意图；

图2是图1所示核事故早期地面辐射场同化系统的传输系数矩阵计算处理器的数据流示意图；

图3是图1所示核事故早期地面辐射场同化系统的源项反演模块数据流示意图；

图4是图1所示核事故早期地面辐射场同化系统的辐射场同化模块数据流示意图；

图5是本实用新型中另一个实施例的核事故早期地面辐射场同化系统的示意图；

图6是本实用新型中又一个可选实施例的核事故早期地面辐射场同化系统的示意图；

图7是本实用新型中又一个可选实施例的核事故早期地面辐射场同化系统的示意图；

图8是本实用新型中又一个可选实施例的核事故早期地面辐射场同化系统的示意图；

图9是本实用新型中又一个可选实施例的核事故早期地面辐射场同化系统的示意图；

图10是本实用新型中又一个可选实施例的核事故早期地面辐射场同化系统的示意图；

图11是本实用新型中又一个可选实施例的核事故早期地面辐射场同化系统的示意图。

具体实施方式

图1是根据本实用新型一个实施例的核事故早期地面辐射场同化系统100的结构示意图。该核事故早期地面辐射场同化系统100一般性地可包括：地面辐射场信息输入器101、地面辐射场信息计算处理器102及地面辐射场同化输出器103。

其中，地面辐射场信息输入器101，与地面辐射场信息计算处理器102相连接，包括：辐射监测数据输入器111及天气预报数据输入器112。地面辐射场信息输入器的辐射监测数据可由固定监测站和移动监测力量提供。天气预报数据来自全球、国家或地区的天气预报中心。

地面辐射场信息计算处理器102，与地面辐射场信息输入器101及地面辐射场同化输出器103相连接，包括：中尺度天气预报计算处理器121、大气扩散计算处理器122、剂量率计算处理器123及地面辐射场同化计算处理器124。

其中，中尺度天气预报计算处理器121，与天气预报数据输入器111相连接。大气扩散计算处理器122，与辐射监测数据输入器112及中尺度天气预报计算处理器121相连接。剂量率计算处理器123，与大气扩散计算处理器122相连接。地面辐射场同化计算处理器124，与剂量率计算处理器123相连接。

地面辐射场同化输出器103，与地面辐射场信息计算处理器102相连接。

如图2所示，是图1所示核事故早期地面辐射场同化系统的传输系数矩阵计算处理器的数据流示意图。包括：地面辐射场信息输入器101的数据流201气象数据传输至地面辐射场信息计算处理器的尺度天气预报计算处理器121再传输至地面辐射场同化计算处理器124，而地面辐射场同化计算处理器124结合单位源项数据202将数据发送至大气扩散计算处理器处理得到传输系统矩阵203。其中，单位源项数据202来自核电厂对源项的估计，为可选。

如图3所示，是图1所示核事故早期地面辐射场同化系统的源项反演模块数据流示意图。从图2中计算处理获得的传输系统矩阵203结合地面辐射场信息301及背景源项302在地面辐射场同化计算处理器124内处理得到反演源项数据303。

如图4所示，是图1所示核事故早期地面辐射场同化系统的辐射场同化模块数据流示意图。从图3中处理得到的反演源项数据304经过图2得到的传输系统矩阵203处理后传输至剂量率计算处理器123处理后传输至地面辐射场同化计算处理器124，在地面辐射场同化计算处理器124内结合地面辐射场信息301计算处理得到同化辐射场数据401。

如图5所示，是本实用新型中另一个实施例的核事故早期地面辐射场同化系统500的示意图，与图1中不同的是，地面辐射场信息输入器101，还包括：源项数据输入器113，与大气扩散计算处理器122相连接。

如图6所示，是本实用新型中又一个实施例的核事故早期地面辐射场同化系统600的示意图，与图1中不同的是，辐射监测数据输入器111，包括：放射性核素空气浓度数据输入单元114、地表γ剂量率数据输入单元115及地面沉积浓度数据输入单元116。

其中，放射性核素空气浓度数据输入单元114、地表γ剂量率数据输入单元115及地面沉积浓度数据输入单元116，与地面辐射场信息计算处理器102相连接。

如图7所示，是本实用新型又一个可选实施例的核事故早期地面辐射场同化系统700的示意图，与图1中不同的是，中尺度天气预报计算处理器121，包括：天气预报数据接收单元701、气象数据动力降尺度单元702及高分辨率气象数据处理单元703。

如图8所示，是本实用新型又一个可选实施例的核事故早期地面辐射场同化系统800的示意图，与图1中不同的是，大气扩散计算处理器122，包括：放射性核素在大气中扩散模拟单元801、核素的空气浓度数据和地面沉积数据计算处理单元802及源项传输系数矩阵处理单元803。

如图9所示，是本实用新型又一个可选实施例的核事故早期地面辐射场同化系统900的示意图，与图1中不同的是，剂量率计算处理器123，包括：放射性核素的空气浸没浓度接收单元901、放射性核素的地面沉积浓度接收单元902及放射性核素的地表剂量率计算处理单元903。

如图10所示，是本实用新型又一个可选实施例的核事故早期地面辐射场同化系统1000的示意图，与图1中不同的是，地面辐射场同化计算处理器124，与剂量率计算处理器123相连接，包括：辐射监测数据接收单元1001、大气扩散计算处理数据接收单元1002、源项反演单元1003及辐射场同化单元1004；辐射监测数据接收单元1001，与辐射监测数据输入器111及源项反演单元1003相连接；大气扩散计算处理数据接收单元1002，与大气扩散计算处理器122、源项反演单元1003及辐射场同化单元1004相连接；辐射场同化单元1004，与大气扩散计算处理数据接收单元1002相连接。大气扩散计算处理器采用的大气扩散模式可以是拉格朗日粒子扩散模式，主要功能有两个：模拟放射性核素在大气中的扩散情况，得到核素的空气浓度数据和地面沉积数据；输入单位源项，计算得到传输系数矩阵。可选地，大气扩散模式可以为FLEXPART-WRF模式。

在一些可选的实施例中，地面辐射场同化计算处理器124，为基于本征正交分解的集合四维变分同化(PODEn4DVar)计算处理器。集合四维变分同化算法在本系统中有两个作用：一是源项反演，即利用辐射监测数据和大气扩散模式反演出放射性核素释放率；二是辐射场同化，即利用大气扩散模式计算出各主要核素空气浓度和地面沉积浓度，再经剂量率模式计算得出背景辐射场，结合实测剂量率数据，得到同化辐射场。

如图11所示，是本实用新型又一个可选实施例的核事故早期地面辐射场同化系统1100的示意图，与图1中不同的是，地面辐射场同化输出器103，包括：反演源项输出单元131及同化地面辐射场输出单元132。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本实用新型的多个示例性实施例，但是，在不脱离本实用新型精神和范围的情况下，仍可根据本实用新型公开的内容直接确定或推导出符合本实用新型原理的许多其他变型或修改。因此，本实用新型的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。