Development of a particle-tracking model for explosive release and its coupling with the atmospheric dispersion model

爆発的放出粒子追跡モデルの開発と大気拡散モデルとの結合

入江 健太  ; 寺田 宏明  ; 川村 英之 ; 高野 公秀 

Irie, Kenta; Terada, Hiroaki; Kawamura, Hideyuki; Takano, Masahide

本研究では、爆発に伴う初期条件を大気拡散シミュレーションに明示的に導入するため、Explosive-release Particle Tracking Model(EPTM)を開発し、Worldwide version of System for Prediction of Environmental Emergency Dose Information(WSPEEDI)と結合した。開発したモデルは、爆発直後の粒子挙動を解像するとともに、その後の大気輸送計算に対して物理的に妥当な初期条件を与えることを目的としている。EPTMの有効性と影響を検証するため、理想化した気象場を用いた数値実験を実施した。その結果、爆発による初期運動の影響は爆発地点近傍における濃度および地表沈着に対して顕著である一方、輸送距離の増加とともに次第に小さくなることが示された。爆発直後には、爆発ケースにおいて放射性物質の急速な鉛直再分配が生じる。この鉛直再分配により、非爆発ケースと比較して、放出源近傍では地表付近の濃度および地表沈着量が増加した。その結果、爆発地点近傍における大気中濃度の極大値や地表沈着パターンは、EPTMによって表現される爆発駆動型の初期条件に強く支配されることが分かった。一方、風下域では、爆発ケースと非爆発ケースの間の大気中濃度および地表沈着の差は小さくなった。これは、水平移流および乱流拡散が濃度分布と沈着分布を支配することで、プルームの発達に伴い初期爆発の相対的な影響が低下するためである。さらに、爆発エネルギーが増加すると、爆発地点近傍における大気中濃度および地表沈着のコントラストは増幅される一方で、風下域の濃度および沈着分布への影響は限定的であることが示された。

This study develops an Explosive-release Particle Tracking Model (EPTM) and couples it with the Worldwide version of System for Prediction of Environmental Emergency Dose Information (WSPEEDI) to explicitly represent the explosion-induced initial condition in atmospheric dispersion simulation. The developed model is designed to resolve the particle dynamics immediately after an explosive release and to provide a physically based initial condition for subsequent atmospheric transport simulations. To demonstrate the capability and impact of EPTM, numerical experiments were conducted under the idealized meteorological field. The results show that the impact of explosion-induced initial motion on concentration and surface deposition is substantial near the explosion point but diminishes with transport distance. Immediately after explosive release, the explosive case produces a rapid vertical redistribution of radioactive materials. This vertical redistribution increases concentration near the surface and increases surface deposition near the release point compared with the non-explosive case. As a result, air concentration maxima and surface deposition patterns near the explosion point are controlled by the explosion-driven initial conditions represented by EPTM. In contrast, in the downwind area, differences in air concentration and surface deposition between the explosive and non-explosive cases become small because horizontal advection and turbulent diffusion govern the spatial distribution of the concentration and deposition, reducing the relative influence of the initial explosion as the plume evolves. Consequently, increasing explosive energy amplifies the contrast of air concentration and surface deposition near the explosion point while exerting limited influence on downwind concentration and deposition distributions.