방사성물질 장거리 대기확산 모델 개발방사성물질방사성물질 장거리장거리 대기확산대기확산 모델모델 개발개발

김은한, 서경석, 한문희

2010. 8. 31

원자력환경안전연구부

장거리 대기확산 모델의 개요

장거리 대기확산 모델 비교/평가 프로그램

대표적인 장거리 확산모델

장거리 대기확산 실험

LADAS 소개

LADAS 검증

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발표 순서

원자력환경안전연구부

계산범위에 따라소규모 모델 (수 km ~ 수십 km)

-대도시/특정 오염물질 배출지역, 공단, 원자력발전소 부근

중규모 모델 (수백 km ~ 수천 km)-황사/산성비의 발원지 추정, 인접국의 방사선 사고, 핵실험

대규모 모델 (지구 규모)-온실 효과, 오존층, 핵 겨울(낙진)

관점에 따라Eulerian model

-고정 격자점에서 평가, 격자내 유입/유출량으로 농도 계산

Lagrangian model-이동하는 입자의 관점에서 평가, 입자의 이류/확산으로 이동

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대기확산 모델의 분류

원자력환경안전연구부

좌표계평면좌표계, 구면좌표계

Map ProjectionPolar Stereographic Projection

Lambert Conformal Conic Projection

Mercator Projection

계산범위수평 1,000 km 이상, 수직 PBL 이상까지

수 일간의 확산 계산

대용량 메모리, 빠른 컴퓨터 필요

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장거리 확산모델의 특징

원자력환경안전연구부

1970년대, 산업화와 더불어 대기오염 문제 대두산성비, 황사 등

-장거리 확산실험 : CAPTEX (1983)

1986년 체르노빌 원전 사고 후 IAEA INSAG (International Nuclear Safety Advisory Group)

-방사성 물질 확산/침적 모델간의 비교, 평가 연구 필요성 인식

Model Evaluation Study-ATMES (Atmospheric Transport Model Evaluation Study)

- IAEA/WMO joint study

-ATMES-II, RTMOD, EMSEMBLE 로 발전

장거리 모델 비교를 위한 확산 실험-ANATEX (1987), ETEX (1994), TEAM (?)

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장거리 모델 연구의 발전 과정

원자력환경안전연구부

ATMES체르노빌 사고로 인한 오염 모델링 (I-131, Cs-137)

1986, IAEA/WMO joint study

21 모델 참여, 결과 비교 (1989-1990)- 사고시 방사성 물질의 양, 높이, 연직 분포 불확실

- 계산 결과 평가 불명확

장거리 확산실험 필요성 대두 ETEX

ATMES-IIETEX 실험 결과 모델링

- ETEX (1994), 28 개 모델 참가

1996, 49 개 모델 참가

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장거리 대기확산모델 연구

원자력환경안전연구부

RTMOD (Real-Time MODel evaluation)

Web-based long-range atmospheric dispersion data transfer system

- 방사성 사고시 각국의 장거리 확산 예측 결과를 교환/평가

- 16 국가 참여

가상 사고 평가- 가상 방출 24시간 전 통보

- 체르노빌 (98/04/28), 런던 (98/06/09) , Edinburgh (영국, 99/06/10)

* Algeciras (스페인, 98/05/30 ->99/05/03)

- 실시간 평가 결과 입력

- 모델간 통계적 비교/분석 (time, space, global analysis)

- CCL (Confidence in Contamination level) 분석

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장거리 대기확산모델 연구 (계속)

원자력환경안전연구부

EMSEMBLEWeb-based decision support system

-17 기관 참가, 각 모델의 결과 직접 입력, 실시간표출, 비교

-수평 범위: 15°W to 60°E, 30°N to 75°N

-연직 범위: 0, 200, 500, 1300, 3000 m

- 2001 (3), 2002 (6), 2003 (2) – RDD 대상

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ECMWF-based forecast of 4 models HIRLAM-based forecast of 6 models EMSEMBLE Result

(Galmarini, 2006)

장거리 대기확산모델 연구 (계속)

원자력환경안전연구부

HYSPLIT_4 (미국, NOAA ARL)

HYbrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model

이류/확산은 Lagrangian, 농도계산은 Eulerian

수평확산은 puff, 수직확산은 particle

Polar stereographic, Lambert, Mercator Projection

ADPIC (미국, Lowrence Livermore National Lab.)

Atmospheric Diffusion Particle-In-Cell

ARAC system

ECMWF의 3차원 바람장을 MATHEW로 상세 계산

Lambert Conformal Conic Projection

Lagrangian Marker, Particle-in-Cell, Eulerian 좌표 농9 / 23

장거리 확산모델의 예

원자력환경안전연구부

EURAD (독일, Rhenish Institute for Environmental

Research)

EURopean Air Pollution Dispersion model

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장거리 확산모델의 예 (계속)

(Elbern, 2009)

원자력환경안전연구부

APOLLO (이탈리아, ENEA-DISP)

Atmospheric POLutant LOng Range Dispersion

ARIES (Atmospheric Release Impact Evaluation System)

경위도 구면좌표계에서 Monte-Carlo 확산

혼합고의 시공간적 변화 고려

DREAM (덴마크, RisØ)

The Danish Rimpuff and Eulerian Accidental release Model

선원항 부근 : RIMPUFF (Lagrangian puff model)

장거리 수송 : Eulerian grid model

복잡한 coupling scheme11 / 23

장거리 확산모델의 예 (계속)

원자력환경안전연구부 12 / 23

Particle random- walk Model, GEARN by JAEA

3- D Non- hydrostatic atmospheric dynamic model, MM5by PSU/NCAR

GEARNGEARN

Regional

MM5MM5

Global MeteorologicalForecast from JMA

Source Information

Air concentrationDeposition on the ground

Radiological doses

Regional

3- D Wind, Turbulence, Precipitation

Local

2- way

2- way

Local

Global Map Datafrom USGS

SST from NCEP

JAEA

Meteorological Forecast Model

Atmospheric Dispersion Model

WSPEEDI (일본,

JAEA)

장거리 확산모델의 예 (계속)

(Chino, 2006)

원자력환경안전연구부

CAPTEX (Cross-APpalachian Tracer EXperiment)

1983, NOAA ARL, NWS, DOE, EPA, BNL, EPRI, AES

Tracer- PMCH (perfluoro-monomethyl-cyclohexane)

- Dayton, Ohio(5), Sudbury, Ontario(2)

- 30분 동안 32kg, 3시간 동안 180 – 208 kg 방출

Sampling- 300 – 1,000 km

- 80 automatic sequential ground-level samplers

- 7 aircraft collected over 1,600 samples

Meteorology- 20 Rawinsondes, 8 Towers, 7 Tetroons

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장거리 대기확산 실험

원자력환경안전연구부

ANATEX (Across North America Tracer Experiment)

1987, NOAA ARL

Tracer- Glasgow, MT : PTCH (perfluoro-Trimethyl-cyclohexane)

- St. Cloud, MN : oPDCH & PMCH

- 1987/01/05 – 03/26, 2.5일마다 3시간 동안 방출 (총 33회)

Sampling- 500 – 3,000 km

- 24시간 자동 연속 포집 ; 77 개

- 6시간 200m 높이, 1600km, 5 개의 탑

- 항공기로 총 450km 포집

샘플러 성능 향상, 추적자 확인, 분석기술 향상 목적

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장거리 대기확산 실험 (계속)

원자력환경안전연구부

ETEX (European Tracer Experiment)

1992, IAEA, WMO, EC, DOE

Tracer- PFC (cyclic perfluorocarbons, PMCH, PMCP)

- 2회 방출 (1994/10/23-24, 11/14-15)

- Monterfil (프랑스), 11시간 50분 동안 340 kg, 490 kg

Sampling- 유럽 17개국, 168 개 지점, 9,000 samples

- 24%, 12% 에서만 추적자 검출

- 3 aircraft collected samples at 360, 600, 1020m

Meteorology- 방출점 : 10 CVB, SODAR, sonic anemometer

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장거리 대기확산 실험 (계속)

원자력환경안전연구부

TEAM (Asian Tracer Experiment and Atmospheric Modeling)

2005, Sino-American SF6 Tracer Experiment- CIRP (China Institute for Radiation Protection), LLNL

- SF6 (sulfur hexafluoride), Qinshan NPP

- 2-3 samples at some points on 5 arcs (max. 25km)

- 7 releases, 1시간 동안 22 – 52 kg

Releases- Tracer : 7 PFT Compounds

- 방출원: Lanzhou, Chengdu, Taiyuan, 영광 NPP, …

Sampling- 2,000 x 2,000 km (한, 중, 일, 미, 러)

- 지상 200개 이상, 항공기 ?

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장거리 대기확산 실험 (계속)

원자력환경안전연구부

LADAS (Long-range Accident Dose Assessment System)

대상영역 : 동북아시아 (RDAPS 계산영역)

3차원 Lagrangian 입자 모델

연직 확산

평가자료- 3차원 농도분포

- 지표 건/습침적

- 방사선 피폭선량17 / 23

장거리 대기확산 모델 개발

ttvttvtXttX jjjj )()()()( RtKttv jj 2)(

RtKttv kk 2)(

RZhttv gpblk )()(

(above mixing layer)

(within mixing layer)

tvtCttG ddry )()( )exp(1)()( ttCttG wet

원자력환경안전연구부 18 / 23

RDAPS 수치예보자료 영역

예보 시각66시간 (2회) / 24(4) /

24(2)시간 간격 3시간 / 1 / 1

수평 해상도 30 km/ 10 km/ 5 km

격자 수191x171 / 178x160 /

141x141연직 해상도 33 layers

모델 상한 50 hPa

물리과정

혼합상 미세물리과정

(수증기, 구름, 비, 얼음,

눈)

비국지행성경계층

구름복사과정

5층 토양모델

(김승범, 2009)

원자력환경안전연구부 19 / 23

체르노빌 사고 모사

누출 후 114 시간 후 입자분포

누출 후 192 시간 후 입자분포

Fribourg

0

0.5

1

1.5

2

0 50 100 150 200 250 300 350

hours

concentration(B

q/m

3 )

Observed

Calculated

특정 지역에서의 농도분포

원자력환경안전연구부 20 / 23

ATMES Program

Model no. Bias (Bq/m3)

Corr. Coeff. NMSE FA2 (%) FA5 (%)

2 -0.58 0.75 153.0 25 56

3 0.83 0.43 32.3 20 42

4 -0.07 0.57 42.3 22 49

5 0.08 0.67 36.3 37 70

7 -0.25 0.78 32.4 41 69

8 -0.50 0.73 101.0 15 33

9 -0.76 -0.15 352.0 2 4

10 0.45 0.73 30.3 21 49

11 -0.81 0.25 85700.0 0 0

12 -0.63 0.67 157.0 22 46

13 0.67 0.41 37.0 5 12

14 -0.70 -0.01 1340.0 0 1

15 0.05 0.67 39.1 21 47

16 -0.59 0.47 134.0 14 30

17 -0.54 0.61 116.0 28 56

18 -0.65 0.54 153.0 19 44

19 0.35 0.64 27.3 24 48

20 0.18 0.69 50.8 16 32

21 4.97 0.37 63.1 13 26

LADAS -0.41 0.58 3.9 25 57

Pearson's correlation coefficient

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

EUR(2

)

LO

RA(3

)

ARAC(4

)

APO

L(5

)

MED(7

)

WSPE(8

)

JMA(9

)

STEM

(10

JMA(1

1)

TRAC(1

2)

SRL(1

3)

TRAD(1

4)

KNM

I(15)

SIR

O(1

6)

MIR

A917)

USSR(1

8

MSE(1

9)

NAM

E(2

0

LIZ

A(2

1)

LADAS

model

correla

tion c

oef

FA5 (%)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

EUR(2

)

LO

RA(3

)

ARAC(4

)

APO

L(5

)

MED(7

)

WSPE(8

)

JMA(9

)

STEM

(10

JMA(1

1)

TRAC(1

2)

SRL(1

3)

TRAD(1

4)

KNM

I(15)

SIR

O(1

6)

MIR

A917)

USSR(1

8

MSE(1

9)

NAM

E(2

0

LIZ

A(2

1)

LADAS

model

FA5 (%

측정/모사 상관 계수

측정/모사 (1/5 – 5 배) 분율

원자력환경안전연구부 21 / 23

ETEX (1994/10/23) 모사

추적자 방출 48시간 후의 ETEX 실험 관측 및 LADAS 모사 결과

원자력환경안전연구부 22 / 23

EMSEMBLE Program

Exercise 901-001 시나리오 LADAS 모사결과

원자력환경안전연구부

장거리 대기확산모델 소개모델 개선 연구 프로젝트

대표적인 장거리 대기확산모델

장거리 확산실험

장거리 대기확산모델 개발 현황동북아시아 영역, Lagrangian PIC

기상청 RDAPS 수치예보자료 사용

방사성 물질 누출 사고시 국가간 장거리 수송 평가

건/습침적, 피폭선량 평가

체르노빌 (ATMES), ETEX (EMSEMBLE) 모사

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결론