摘要
海洋中放射性物质的存在威胁着海洋生态环境和人类生活的健康发展，二战以来，世界范围内的核试验及几次较为重大的核事故致使大量的放射性核素被排入海洋。由于海洋观测的局限性，需要我们建立高分辨率的海洋放射性输运扩散模式来研究放射性核素在海洋中的分布特征和演变过程。 本文基于一个两时间层的有限差分格式的原始方程，建立了一个准全球的三维海洋环流模式和一个区域三维MASNUM（LaboratoryofMarineScienceandNumericalModeling）海洋环流模式。该环流模式是在原始地球流体力学的控制方程组基础上，采用Boussinesq近似和静力学假定而建立的数学模型。 针对2011年3月日本福岛核事故，建立了对应的准全球和西北太平洋的区域放射性物质的输运扩散模型，采用东京电力公司估计的核事故释放137Cs的含量作为初始条件，对放射性137Cs在20年间的输运过程及其在研究海域的垂向扩散进行了数值模拟。根据与观测资料的比较，该模式具备模拟放射性物质在海洋中的输运扩散过程的能力，主要得到以下结论。 准全球放射性物质输运扩散模式结果： 1）137Cs在全球大洋中的水平输运结果显示： 137Cs的表层浓度沿着黑潮延伸体及北太平洋海流的路径迅速的向大洋东部输运扩散，事故发生3个月后，日本附近海域137Cs浓度值在50Bq/m3以上；137Cs经过4年的输运，扩散美国西海岸附近，浓度值大约在1Bq/m3左右，由于印尼海域岛链阻挡137Cs的扩散，印度洋海域的137Cs浓度要明显低于太平洋；至2030年，全球因福岛核事故排入海洋的137Cs表层浓度将降至0.1Bq/m3以下。由于北太平洋东边界海流流速相对要小，东边界的水体交换过程相对缓慢，致使大洋东边界的137Cs浓度要高于西边界。悬浮物中的137Cs浓度相对与溶质中的137Cs是个小量，在考虑大尺度范围的137Cs的浓度变化时，可以忽略不计。海水的平流和扩散作用是放射性物质在大洋中输运扩散的主要动力机制。 2）137Cs在太平洋的垂向扩散结果显示： 事故发生最初几个月137Cs浓度的高值区域集中在30o～40oN的海洋表层，浓度在15～20Bq/m3之间；2012年6月，在日本海域附近137Cs的浓度在垂向上扩散至800m左右；至2015年，137Cs浓度扩散至大洋东边界，西太平洋137Cs浓度扩散至赤道附近，集中在400m以浅的次表层海域，浓度值大约在1Bq/m3；之后的十几年，137Cs浓度已扩散至南半球，高值区域集中在20oN附近的次表层海域；到2030年，137Cs浓度最大在0.1Bq/m3左右。整体来看，137Cs浓度的垂向输运扩散的主体集中在海洋的表层和次表层，在经向上扩散较为缓慢，且大洋东部高于西部，北部高于南部。 区域放射性物质输运扩散模式结果： 1）137Cs的水平输运结果显示： 至2015年，137Cs表层浓度已经扩散至整个中国海域，浓度值在0.01Bq/m3左右；事故发生10年后，研究海域137Cs表层浓度趋于均匀，在0.20～0.60Bq/m3左右；20年后，经过进一步的扩散和稀释137Cs在海洋表层的浓度都要小于0.15Bq/m3。 2）137Cs的垂向扩散结果显示： 至2020年黄海的垂向混合较为均匀，137Cs浓度上下层趋于一致；东海靠近陆架区域的137Cs浓度高于西海岸，且上层海水中137Cs浓度略高于下层海水；南海海域137Cs浓度总体小于黄海和东海，且南海北部的137Cs浓度要高于南海南部；至2030年，黄海和东海中的137Cs浓度均小于南海，且海域东部浓度略高于西部；日本海137Cs浓度主要集中在表层；核事故20年后，整个西北太平洋海域，137Cs浓度在水平和垂向分布均趋于均匀，137Cs浓度均小于0.15Bq/m3。
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