Numerical simulation of the radioactive contamination  of Ukraine after the Chornobyl disaster:  the influence of the input meteorological data  on the results uncertainty

O.Y. Skrynyk; S.M. Bubin

doi:10.24028/gj.v45i2.278332

Автор(и)

O.Y. Skrynyk Ukrainian Hydrometeorological Institute SES and NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine, Україна
S.M. Bubin Department of Physics, Nazarbayev University, Astana, Kazakhstan, Казахстан

DOI:

https://doi.org/10.24028/gj.v45i2.278332

Ключові слова:

Чорнобильська катастрофа, радіоактивне забруднення місцевості, 137Cs, атмосферне перенесення та дисперсія, вологе та сухе вимивання аерозолів, чисельне моделювання, невизначеність, WRF, CALPUFF

Анотація

У статті представлено кількісне оцінювання чутливості результатів чисельного моделювання формування поверхневого забруднення території України радіонуклідами 137Cs після аварії на Чорнобильській атомній електростанції у 1986 році до вхідних метеорологічних даних. Для розрахунку атмосферного перенесення, дисперсії та осідання (вологого та сухого вимивання) радіоактивних аерозолів було використано моделюючий програмний комплекс CALPUFF. Параметризація джерела викидів 137Cs під час активної фази аварії (26 квітня — 5 травня 1986 р.) здійснена на основі раніше опублікованих в науковій літературі результатів. Сімнадцять різних версій/реалізацій вхідної метеорології для CALPUFF було отримано за допомогою регіональної прогностичної метеорологічної моделі WRF, комбінуючи доступні для 1986 р. дані глобальних атмосферних реаналізів (NNRP, ERA-Interim, ERA5, CFSR) та фізичні параметризації самої моделі (мікрофізика, радіаційні процеси та фізика граничного/приземного шарів). Кількісне оцінювання невизначеності результатів розрахунків було проведене двома способами. У першому способі, невизначеність розраховувалась як ширина/розмах розподілу значень поверхневих концентрацій 137Cs (у логарифмічному масштабі), отриманих при різних версіях вхідної метеорології. Другий підхід базувався на основі статистичного порівняння розрахованих значень поверхневого забруднення та відповідних виміряних даних, які були отримані під час комплексного оцінювання наслідків катастрофи на початку 90-х років минулого століття. Дві статистичні метрики/показники було використано для порівняння: геометричні середні відхилення та дисперсія. Результати дослідження демонструють, що навіть при використанні різних версій певною мірою уніфікованих метеорологічних даних (атмосферних реаналізів), результати розрахунків поверхневої концентрації радіонуклідів в одних і тих же просторових локаціях можуть відрізнятися один від одного на декілька порядків величини. Крім того, невизначеність розрахунків залежить не тільки від відстані до джерела емісій, але і від фізичного механізму відповідального за формування поверхневого забруднення (вологого чи сухого вимивання).

Посилання

Skrynyk, O.Ya., & Hrytsyuk, Yu.Ya. (2007). Mechanism of forming a large scale «spot-like» structure of polluted area by powerful gas-aerosol source within the boundary layer of the atmosphere. Geofizicheskiy Zhurnal, 29(4), 191—198 (in Ukrainian).

Voloshchuk, V.M., Skrynyk, O.Ya., & Hrytsyuk, Yu.Ya. (2007). A mechanism of the formation of a large-scale spot-like pollution structure of the underlying surface under intense aerosol injections into the atmospheric boundary layer. Dopovidi NAN Ukrainy, (4), 115—120 (in Ukrainian).

Arnold, D., Maurer, C., Wotawa, G., Draxler, R., Saito, K., & Seibert, P. (2015). Influence of the meteorological input on the atmospheric transport modelling with FLEXPART of radionuclides from the Fukushima Daiichi nuclear accident. Journal of Environmental Radioactivity, 139, 212—225. https://doi.org/10.1016/j.jenvrad.2014.02.013.

De Cort, M., Dubois, G., Fridman, Sh.D., Ger¬men¬chuk, M.G., Izrael, Yu.A., Jans¬sens, A., Jones, A.R., Kelly, G.N., Kvas¬ni¬ko¬va, E.V., Mat¬ve¬enko, I.I., Nazarov, I.M., Po¬ku¬meiko, Yu.M., Si¬tak, V.A., Stukin, E.D., Ta¬bach¬ny, L.Ya., Tsa¬tu¬rov, Yu.S., & Avdyushin, S.I. (1998). Atlas of caesium deposition on Europe after the Chernobyl accident. Luxembourg, Office for Official Publication of the European Communities.

Dee, D.P., Uppala, S.M., Simmons, A.J., Berrisford, P., Poli, P., Kobayashi, S., Andrae, U., Bal¬maseda, M.A., Balsamo, G., Bauer, P., Bech¬told, P., Beljaars, A.C.M., van de Berg, L., Bid¬lot, J., Bormann, N., Delsol, C., Draga¬ni, R., Fuentes, M., Geer, A.J., Haimberger, L., Healy, S.B., Hersbach, H., Hólm, E.V., Isak¬sen, L., Kållberg, P., Köhler, M., Matricar¬di, M., McNally, A.P., Monge-Sanz, B.M., Mor¬¬cret¬te, J.-J., Park, B.-K., Peubey, C., de Ros¬nay, P., Tavolato, C., Thépaut, J.-N., & Vitart, F. (2011). The ERA-Interim reanalysis: configuration and performance of the data assimilation system. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 137, 553—597. https://doi.org/10.1002/qj.828.

Draxler, R.R., Arnold, D., Chino, M., Galmarini, S., Hort, M., Jones, A., Leadbetter, S., Malo, A., Maurer, C., Rolph, G., Saito, K., Servranckx, R., Shimbori, T., Solazzo, E., & Wotawa, G. (2013). World Meteorological Organization’s model simulations of the radionuclide dispersion and deposition from the Fukushima Daiichi nuclear power plant accident. Journal of Environmental Radioactivity, 139, 172—184, https://doi.org/10.1016/j.jenvrad.2013.09.014.

Giaiotti, D., Oshurok, D., & Skrynyk, O. (2018). The Chernobyl nuclear accident Cs-137 cumulative depositions simulated by means of the CALMET/CALPUFF modelling system. Atmospheric Pollution Research, 9(3), 502—512. https://doi.org/10.1016/j.apr.2017.11.007.

Hersbach,H., Bell, B., Berrisford, P., Hirahara, S., Horányi, A., Muñoz-Sabater, J., Nicolas, J., Peubey, C., Radu, R., Schepers, D., Simmons, A., Soci, C., Abdalla, S., Abellan, X., Balsamo, G., Bechtold, P., Biavati, G., Bidlot, J., Bonavita, M., De Chiara, G., Dahlgren, P., Dee, D., Diamantakis, M., Dragani, R., Flemming, J., Forbes, R., Fuentes, M., Geer, A., Haimberger, L., Healy, S., Hogan, R.J., Hólm, E., Janisková, M., Keeley, S., Laloyaux, P., Lopez, P., Lupu, C., Radnoti, G., de Rosnay, P., Rozum, I., Vamborg, F., Villaume, S., & Thépaut, J.N. (2020). The ERA5 global reanalysis. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 146, 1999—2049. http://doi.org/10.1002/qj.3803.

Kalnay, E., Kanamitsu, M., Kistler, R., Collins, W., Dea¬ven, D., Gandin, L., Iredell, M., Saha, S., Whi¬te, G., Woollen, J., Zhu, Y., Chelliah, M., Ebi¬suzaki, W., Higgins, W., Janowiak, J., Mo, K.C., Ropelewski, C., Wang, J., Leetmaa, A., Reynolds, R., Jenne, R., & Joseph, D. (1996). The NCEP/NCAR 40-Year Reanalysis Project. Bulletin of the American Meteorological Society, 77, 437—471. https://doi.org/10.1175/1520-0477(1996)077<0437:TNYRP>2.0.CO;2.

Khalchenkov, A., & Kovalets, I. (2021). Evaluation of Spectral/Grid Nudging Methods for Weather Analysis and Forecasting in Kyiv Region with the Use of WRF Mesoscale Meteorological Model. In S. Shkarlet, A. Morozov, A. Palagin, (Eds.), Mathematical Modeling and Simulation of Systems (MODS’2020) (Vol. 1265, pp. 13—23). Springer, Cham. https://doi.org/ 10.1007/978-3-030-58124-4_2.

Kovalets, I.V., Asker, C., Kchalchenkov, A.V., Persson, C., & Lavrova, T.V. (2017). Atmospheric dispersion of radon around uranium mill tailings of the former Pridneprovsky Chemical Plant in Ukraine. Journal of Environmental Radioactivity, 172, 173—190. http://dx.doi.org/10. 1016/j.jenvrad.2017.03.025.

Leadbetter, S.L., Hort, M.C., Jones, A.R., Webster, H.N., & Draxler, R.R. (2015). Sensitivity of the modelled deposition of Caesium-137 from the Fukushima Daiichi nuclear power plant to the wet deposition arameterization in NAME. Journal of Environmental Radioactivity, 139, 200—211. https://doi.org/10.1016/j.jenvrad.2014.03.018.

Leelőssy, A., Lagzi, I., Kovács, A., & Mészáros, R. (2018). A review of numerical models to predict the atmospheric dispersion of radionuclides. Journal of Environmental Radioactivity, 182, 20—33. https://doi.org/10.1016/j.jenvrad. 2017.11.009.

Lo, J.C.F., Yang, Z.L., & Pielke, R.A. (2008). Assessment of three dynamical climate downsca¬ling methods using the weather research and forecasting (WRF) model. Journal of Geophysical Research, 113, D09112. https://doi.org/10.1029/2007JD009216.

Miguez-Macho, G., Stenchikov, G.L., & Robock, A. (2004). Spectral nudging to eliminate the effects of domain position and geometry in regional climate model simulations. Journal of Geophysical Research, 109, D13104. https://doi.org/10.1029/2003JD004495.

Mosca, S., Graziani, G., Klug, W., Bellasio, R., & Bianconi, R. (1998). A statistical methodology for the evaluation of long-range dispersion models: an application to the ETEX exercise. Atmospheric Environment, 32(24), 4307—4324. https://doi.org/10.1016/S1352-2310(98)00179-4.

Saha, S., Moorthi, S., Pan, H.-L., Wu, X., Wang, J., Nadiga, S., Tripp, P., Kistler, R., Woolen, J., Behringer, D., Liu, H., Stokes, D., Grumbine, R., Gayno, G., Wang, J., Hou, Y.-T., Chuang, H.-Y., Juang, H.-M., Sela, J., Iredell, M., Treadon, R., Kleist, D., Van Delst, P., Keyser, D., Derber, J., Ek, M., Meng, J., Wei, H., Yang, R., Lord, S., Dool, H., Kumar, A., Wang, W., Long, C., Chelliah, M., Xue, Y., Huang, B., Schemm, J.-K., Ebisuzaki, W., Lin, R., Xie, P., Chen, M., Zhou, S., Higgins, W., Zou, C.-Z., Liu, Q., Chen, Y., Han, Y., Cucurull, L., Reynolds, R.W., Rutledge, G., & Goldberg, M. (2010). The NCEP climate forecast system reanalysis. Bul¬letin of the American Meteoro¬lo¬gical Society, 91, 1015—1057. https://doi.org/10.1175/ 2010BAMS3001.1.

Scire, J.S., Robe, F.R., Fernau, M.E., & Yamartino, R.J. (2000a). A user’s guide for the CALMET meteorological model Version 5. Earth Tech Inc., Concord, MA.

Scire, J.S., Strimaitis, D.G., & Yamartino, R.J. (2000b). A user’s guide for the CALPUFF (Version 5) dispersion model. Earth Tech Inc, Concord, MA.

Scire, J.S., Strimaitis, D.G., Wu, Z.-X., Klausmann, A., Popovic, E. (2012). Assessment of EPA’s ETEX evaluation study. 10th Conference of Air Quality Models, March 14—16, 2012, RTP, North Carolina.

Skamarock, W.C., & Klemp, J.B. (2008). A time-split nonhydrostatic atmospheric model for weather research and forecasting applicati¬ons. Journal of Computational Physics, 227(7), 3465—3485. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2007. 01.037.

Skrynyk, O., Voloshchuk, V., Budak, I., & Bubin, S. (2019). Regional HYSPLIT simulation of atmospheric transport and deposition of the Chernobyl 137Cs releases. Atmospheric Pollution Research, 10(6), 1953—1963. https://doi.org/10.1016/j.apr.2019.09.001.

Talerko, N. (2005). Mesoscale modeling of radioactive contamination formation in Ukraine caused by the Chernobyl accident. Journal of Environmental Radioactivity, 78(3), 311—329. https://doi.org/10.1016/j.jenvrad.2004.04.008.

Talerko, M., Kovalets, I., Lev, T., Igarashi, Y., & Romanenko, O. (2021). Simulation study of ra¬dionuclide atmospheric transport after wild land fires in the Chernobyl Exclusion Zone in April 2020. Atmospheric Pollution Research, 12(3), 193—204. https://doi.org/10.1016/j.apr. 2021.01.010.

Voloshchuk, V.M., & Shkvorets, O.Yu. (1993). Possible influence of meteorological conditions and changes aerosol source parameters on the spot structure formation of ground radioactive contamination. Journal of Aerosol Science, 24(1), 531. https://doi.org/10.1016/0021-8502(93)90358-G.

WRF. (2015). WRF Physics Use Survey. Retrieved from https://www2.mmm.ucar.edu/wrf/users/physics/wrf_physics_survey.pdf.

WRF. (2019). Weather Research & Forecasting Model. ARW. Version 4. Modeling System User’s Guide.