Improvement of atmospheric dispersion simulation using an advanced meteorological data assimilation method to reconstruct the spatiotemporal distribution of radioactive materials released during the Fukushima Daiichi Nuclear Power Station accident

When radioactive materials are released into the atmosphere due to nuclear accidents, numerical simulations that can reproduce temporal and spatial distribution of radioactive materials are useful to provide the information for emergency responses and radiological dose assessment. In this study, we attempt to improve the atmospheric dispersion simulation using an advanced meteorological data assimilation method and reconstruct the spatiotemporal distribution of radioactive materials released due to the Fukushima Daiichi Nuclear Power Station (FDNPS) accident. The atmospheric dispersion simulations were carried out by the Lagrangian particle dispersion model GEARN developed by Japan Atomic Energy Agency. To obtain meteorological fields for GEARN calculation, we used the Weather Research and Forecasting model WRF with meteorological data assimilation using four-dimensional variational method (4D-Var). GEARN calculations of the surface deposition and air concentration of radionuclides were compared with measurements. In the area close to FDNPS, the spatial distribution of the deposition of Cs-137 and I-131 simulated by GEARN agreed with the measured one. The accuracy of modeled deposition in northwest and south directions from FDNPS was particularly improved. This results were mainly attributed to the better reproducibility of wind field by using the meteorological data assimilation with 4D-Var. The improvement of the accuracy of modeled deposition distribution of Cs-137 in the East Japan area was also apparent under the meteorological fields modified by 4D-Var. The information of atmospheric dispersion processes reconstructed in this study is used for updating the existing assessment of radiological dose resulting from the FDNPS accident based on atmospheric simulations by our previous studies. It can also provide useful suggestions to make emergency response plans for nuclear facilities in Japan.
原子力施設事故によって大気中に放射性物質が放出された際に、放射性物質の時空間分布を再現可能な大気拡散シミュレーションは、緊急時対応や被ばく評価に対して有効である。本研究では、データ同化手法及び最新の領域気象モデルを用いて大気拡散シミュレーションを改良し、福島第一原子力発電所事故由来の放射性物質の時空間分布を再構築する。大気拡散シミュレーションは原子力機構が開発した大気拡散モデルGEARNによって行われた。大気拡散シミュレーションのための気象場は、4次元変分法を用いた気象データ同化解析手法と領域気象モデルWRFで計算された。シミュレーションの再現性は、放射性核種の沈着量及び大気濃度の計算値と実測値の比較から評価した。福島第一原子力発電所の付近において、観測されたCs-137とI-131の沈着量の空間分布をシミュレーションは良好に再現した。特に、発電所から北西方向及び南方向で観測されたCs-137の高い沈着量分布の再現性の向上が顕著であった。東日本の広域においても、モデル過大評価であったCs-137の沈着量の再現性が向上した。これらは、4次元変分法を用いた気象データ同化解析手法によって、再現性の高い風速場が得られたことに起因すると考えられる。本研究で再構築された大気拡散過程は、福島第一原子力発電所事故の線量影響評価の見直しや、日本国内の原子力施設における緊急時対応に対して有効な情報となる。