Three-dimensional Numerical Modeling of Critical Pathways for Radionuclide East of Fukushima Entering China Seas
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摘要:
准确刻画放射性核素在海洋中的扩散及输运过程是监测及预防的关键。利用北太平洋区域高分辨率海洋动力模式，结合被动示踪实验，模拟了福岛排放入海的放射性核素在5 a左右时间的分布情况。结果表明，放射性核素在排海后主要随黑潮延伸体向东移动，但仍有部分放射性核素由于西南向回流、涡旋活动及模态水潜沉过程，向西南方向抵达中国海外缘。在中国近海与外海的物质交换通道中，放射性核素主要通过台湾以东最早进入中国东海，后经过吕宋海峡入侵南海，进而通过陆架环流输送到黄海与渤海中。研究结果系统地给出了放射性核素由北太平洋进入中国海的三维途径及动力机制，并表明高浓度的放射性核素在5 a时间内并未影响中国海域。
Abstract:On August 24, 2023, the Japanese government officially discharged nuclear wastewater into the ocean, causing widespread international concern. Radionuclides in nuclear wastewater pose a serious threat to the marine environment and to the national health of neighboring countries. This paper aims to accurately characterize the diffusion and transport processes of radionuclides in the ocean, which is the key to monitoring and prevention of radionuclides effects. Based on regional ocean modeling system (ROMS), this paper set up a high-resolution regional ocean model of the North Pacific Ocean. The distribution of radionuclides discharged into the ocean from Fukushima over a period of five years was simulated by using passive tracer experiments. The relative concentration of passive tracers are capable of representing the radionuclides distributions and pathways. The results show that the radionuclides mainly move eastward with the Kuroshio extensions after being discharged into the sea, but some radionuclides still arrive at the Chinese offshore in a southwesterly direction due to southwesterly return currents, mesoscale eddy activities and mode water subduction processes. Among the material exchange channels between China Seas and open ocean, radionuclides mainly enter the East China Sea through east of Taiwan channel, and penetrate into the South China Sea through the Luzon Strait, while the other channels are all export radionuclides from China Seas to the open ocean. Shelf circulations play a vital role in the exchange of materials between sea areas, which transport radionuclides into the Yellow Sea and the Bohai Sea particularly by Taiwan warm current and Yellow Sea warm current. Besides, seasonal variations of ocean circulations can significantly affect the transport of radionuclides. The ocean currents on the shelf can even show reverse directions between summer and winter. A new assessment of the impact time of radionuclides at different concentration thresholds in the four Chinese Seas and key channels was finally given. The East China Sea is the first area affected by radionuclides, and the Yellow Sea and the South China Sea are affected by radionuclides at similar times, while the Bohai Sea was the latest with lowest concentration of radionuclides. Radionuclide impact times are more homogeneous vertically in the shallow channels, while the impact times of deep-water channels are different in vertical due to the complex vertical structure. The model results systematically provide the three-dimensional transport pathways and dynamical mechanisms for radionuclides entering the China Seas from the North Pacific Ocean, and confirm that the high concentration radionuclides can not reach the China Seas during the five years of the simulation.
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Keywords:
- radionuclide ,
- ocean model ,
- dynamic ,
- open ocean-coastal sea material exchange ,
- time estimate
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2011年3月11日，日本东北部太平洋海域发生强烈地震，此次地震引发的巨大海啸导致日本福岛县第一核电站发生严重的核泄漏事故。由于反应堆需要冷却而产生大量的核污染水，于日本当地时间2023年8月24日下午1时正式排放，引起国际社会的广泛关注[1]。该事故及后续入海的放射性核素，不仅对日本当地造成严重的经济损失和人员伤亡[2]，其造成的核污染也威胁周边国家的国民健康和生态环境[3]，研究表明该事故对海底沉积物的污染将持续数十年[4]，并将通过底栖鱼类的生物富集过程持续威胁食物安全[5]，进一步能够扩散至全球海洋甚至大气中[6-7]，影响全球多圈层的生态系统。
放射性核素从福岛以东海域排放后在海洋中如何迁移扩散，成为国际社会广泛关注和迫切需要解决的重大问题之一[8-9]。已有研究通过船舶现场采样观测[10-12]对放射性核素在西北太平洋内的分布进行了监测，受制于实地观测的时间-空间限制，现场采样观测并不能实时刻画放射性核素整体的分布变化情况。研究者也通过漂流浮标轨迹观测[13-14]表示放射性核素的迁移输运过程，然而漂流浮标局限于海洋表层，无法给出放射性核素在表层以下即海洋中如何进行迁移扩散。而数值模式模拟放射性核素具有时间-空间连续的优势，过往研究通过数值模式，不仅开展了整个太平洋海盆的放射性核素迁移扩散的变化情况[15-21]，也对中国海中放射性核素的分布演变规律进行了讨论[22-24]。然而，这些研究往往侧重刻画放射性核素分布变化规律，针对太平洋扩散输运的放射性核素如何进入中国海的动力机制仍然缺乏细致的讨论与研究。并且，过去研究中使用的模式往往是全球环流模式而非针对太平洋区域，模式对太平洋环流系统的刻画与实际情况仍存在不小的差异，模式分辨率往往难以很好地解析海洋中复杂的多尺度动力过程[23]；另外，过往一些研究采用洋流数据集进行离线追踪，对于真实示踪物的刻画仍然存在不小的误差。这些不足之处导致目前针对福岛排放核废水中放射性核素到达中国海的时间评估仍然存在较大的不确定性，对于监测及预防带来了不小的挑战，因此准确刻画放射性核素在排放入海后的扩散迁移路径是当下十分紧迫的需求，对实际理解海洋环境与生态变化和认识人类活动污染在海洋中的影响具有非常重要的意义[25-26]。
1. 模式介绍
本文基于区域海洋模拟系统（regional ocean modeling system，ROMS）建立覆盖北太平洋的高分辨率海洋动力模式，如图1a所示，其中黑色框为本文主要关注的中国海区域。图1b为图1a局部放大图，其中：箭头为多年平均的海表流场；红色五角星为被动示踪实验（tracer experiment）释放位置；红色线为中国海与大洋及其他海域存在物质交换的通道，由南到北依次为：对马海峡（Tsushima Strait，TUS）、琉球群岛（Ryukyu Islands，RI）、台湾以东（East Taiwan，ET）、吕宋海峡（Luzon Strait，LS）、棉兰老海峡（Mindoro Strait，MS）、卡里马塔海峡（Karimata Strait，KS）。水平分辨率为0.1°（水平格点数为2 329×1 621），水平混合使用Smagorinsky扩散方案；垂向采用地形追随坐标，分为41层，使用KPP湍混合方案。模式内的海底地形融合了ETOPO1和ETOPO5两种公开地形数据，同时为了保证模式稳定性，模式地形最小值设定为10 m，最大值设定为6 500 m。
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图 1 高分辨率海洋动力模式示意图a——覆盖范围；b——图1a局部放大图；c——福岛外海示踪物初始释放垂向示意图Figure 1. Coverage and set up of high-resolution ocean model建立的北太平样模式使用的初始场为世界海洋图集（WOA09）提供的1月气候态月平均的温度和盐度，并且根据Sverdrup理论，通过温度、盐度数据进一步计算地转流和埃克曼流，以二者结合作为初始流速场，初始场中的海表面高度数据来自多倍量程高度计数据处理系统（DUACS）提供的月平均数据。该模式考虑到北太平洋边界的现实情况，并且为了简化计算，在4个方向的边界上均采用闭边界条件，并且在边界采用100 km厚的海绵层（sponge layer）和推近层（nudging layer），来消除模式在边界上的干扰信号以及提升模式计算的稳定性。本文所建立的模式首先以气候态运行积分了30 a，使用360 d为周期的月平均气候态数据进行强迫。强迫数据包括海洋大气综合数据集（COADS）[27]提供的月平均风应力、净热通量、净淡水通量、地表太阳短波辐射、海表面温度（SST）和海表面盐度（SSS）；同时根据块体公式计算了与海表面温度有关的热通量校正项dQ/dSST，用于引入热反馈，校正并提升海表面温度的模拟效果。已有研究表明，本文建立的高分辨率海洋动力模式对于北太平洋的主要环流系统以及中国海区域内的陆架环流有很好的刻画能力[28-29]；同时，ROMS模式的被动示踪实验也已经广泛应用于动力示踪、物质输运和生物迁徙过程[30-32]，因此本文中的模式能够很好地再现福岛排放的放射性核素在北太平洋以及中国海的扩散及输运过程。北太平洋模式细节可以参考Yang等[33]的研究成果，更多ROMS的技术细节详见Shchepetkin等[34]的研究。
本文在模式气候态达到稳定的基础上，考虑到福岛核废水正式排放开始于2023年8月，因此使用气候态输出的2023年7月30日作为初始场。在福岛外海0～50 m深度内持续设置浓度为1 mg/L的示踪物，如图1c所示，其中红色部分为释放覆盖的位置，灰色部分为陆地或海底地形。示踪物扩散输运方程由下式表示：
\frac{\partial P}{\partial t}+{\boldsymbol V}\cdot \nabla P=-\frac{\partial }{\partial {\textit{z}}}\left(-{K}_{P}\frac{\partial P}{\partial {\textit{z}}}-{v}_{P}\frac{\partial P}{\partial {\textit{z}}}\right)+{D}_{P}+{S}_{P} (1) 式中： P 为示踪物浓度； {D}_{P} 为水平扩散项； {v}_{P} 为分子黏性项，与湍流黏性项（ {K}_{P} ）相比可以忽略； {S}_{P} 为来自河流或边界输入的源汇项； \boldsymbol{V} 为模式模拟的三维流速；t 为时间； {\textit{z}} 为垂直方向。模式总计模拟1 950 d，每10 d输出平均数据用作后续研究。模式中示踪物浓度单位（mg/L）与实际核素浓度单位（Bq/L）并不一致，为了更清晰地表现示踪物扩散迁移过程，本文在后续分析中均采用标准化示踪物浓度（lg（模拟浓度/初始浓度）），来表征各个位置示踪物相对于初始浓度的大小，进而反映排放的放射性核素对海洋影响的相对大小。
2. 北太平洋至中国海外缘动力过程
本文首先检验了模式模拟排放的放射性核素在北太平洋的三维分布情况，图2所示为北太平洋示踪实验第1 950 d时，放射性核素垂向为0、1 000、2 000、3 000、4 000、5 000 m深度层的分布情况，其中色标为对数变换结果，灰色部分为陆地。垂向上，高浓度放射性核素主要集中于表层，随深度增加，放射性核素的分布范围与浓度均逐渐减小，最终能够深入到5 000 m乃至更深的水层中，表明由表层释放的放射性核素，在排放5 a后将不仅影响北太平洋的上层海洋，还会对北太平洋的各个水层产生不可忽视的影响。鉴于表层是最主要的放射性核素的分布位置，本文进一步绘制了北太平洋的表层示踪物扩散的时间序列（50～1 800 d），如图3所示，其中黑色虚线为10−6等值线，灰色部分为陆地。从图3可以看出，绝大部分放射性核素在经由福岛外海位置排出后，基本沿纬线方向向东扩散（0～450 d），最终到达北美的西海岸（1 350 d），是浓度最高、最主要的示踪物扩散途径。而在向东扩散一段距离后，从位于东经170°附近开始，南侧出现了一个向西南延伸的相对高浓度的“放射性核素舌”，这部分示踪物相比较海盆尺度的环流系统，更早地到达中国海外海（450～900 d），是后续重点讨论的影响中国海的途径。在放射性核素到达中太平洋后，除去南向的分支，存在一支北向流动，将放射性核素向极地方向输运（750～1 350 d），与研究者提到的路径一致[10]。另外，在模拟的时间范围内，高浓度的放射性核素仍然主要分布在北太平洋侧，而对北纬15°以南的海区没有太大的影响（1 350～1 800 d）。
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图 2 放射性核素在北太平洋的三维分布Figure 2. Three-dimensional distribution of radionuclide within North Pacific![]()
图 3 北太平洋表层示踪物扩散的时间序列Figure 3. Time series of surface distribution of passive tracer within North Pacific过往研究虽然给出了太平洋向中国海外缘输送的可能途径[8-9]，但目前仍然缺乏外海向中国近海输送途径的详细论述与确切结论。因此，为了理解放射性核素由太平洋靠近中国海外缘背后的动力过程，图4a示出模拟计算年平均的北太平洋0～100 m垂向积分的流场情况，其中红色框为西南向回流的区域，红色虚斜线为断面位置，灰色部分为陆地。福岛外海主要是由较强的黑潮延伸体控制，将放射性核素向东输运，而在其南侧，的确存在一支西南向的回流，本文将这支流动放大到图4b中以便清晰地展示，这支西南向的回流能够将放射性核素从中太平洋携带到西北太平洋侧，进而后续进入并影响中国近海。过去很多研究表明，黑潮延伸体本身是中尺度涡旋重要的源地，并且在其南侧存在一支副热带逆流，流动的不稳定特征非常强烈，因此产生大量的中尺度涡旋[35-36]。本文利用法国卫星海洋存档数据中心（AVISO）提供的利用卫星观测数据识别的中尺度涡旋路径数据集（https://tds.aviso.altimetry.fr/thredds/L4/L4-EDDY.html），针对黑潮延伸体南侧区域的中尺度涡旋路径进行了统计，如图4c所示，其中蓝色为气旋涡路径，红色为反气旋涡路径。可以看到无论是气旋涡还是反气旋涡会自东向西运动，与理论推导的西传结果一致[37]，最终其中一部分中尺度涡旋路径能够到达中国海外缘，因而也是裹挟示踪物靠近中国海外海的重要途径之一。另外，除去水平动力过程的平流输运作用，副热带海区是模态水重要的生成源地[38]，过往研究表明，表层经过潜沉后生成的模态水可以到达甚至跨过吕宋海峡进入南海[39-41]，正如图4d断面图展示（黑色虚线为多年平均位势密度等值线，横坐标为离断面左下起始位置的距离），表层至次表层水深范围内，等位势密度面由北向南存在明显的向下倾斜，且放射性核素自北向南输运过程中，由表层逐渐集中至300 m深水层附近，证明了潜沉过程同样是放射性核素靠近中国海外缘不可忽视的动力过程之一。
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总而言之，大尺度环流、中尺度涡旋以及潜沉过程，都是放射性核素由北太平洋向中国海外缘输送的重要途径，且相比较长达十几年的海盆尺度循环过程，上述提到的3种过程将放射性核素更早地带到中国邻近海域，从而放射性核素才存在经过外海进入并对中国近海产生影响的可能。后续将对放射性核素从外海进入我国渤海、黄海、东海及南海的主要通道与动力过程进行系统地讨论，并对放射性核素影响中国近海的时间进行新的估计。
3. 外海进入中国近海的主要通道
图5所示为中国海附近模拟的表层放射性核素扩散的时间序列（200～1 850 d），其中黑色虚线为初始浓度10−3等值线，蓝色虚线为初始浓度10−6等值线，灰色部分为陆地。可以明显看到，第2节中提到的一支由东向西延伸的“放射性核素舌”最先抵达东海外海（0～950 d），表层少部分示踪物可以跨过岛屿间通道进入冲绳海槽（1 100 d），并被此处的黑潮主流向东北输运（图1b）。后续大部分放射性核素被继续向西南输送，到达台湾岛东侧后，在台湾以东汇入黑潮主流，进而沿黑潮流动方向往东北移动（1 100～1 550 d）。放射性核素继续向西南方向输送，在到达吕宋海峡后进入到南海中（1 550～1 850 d）。值得注意的是，时间序列中，在黄海南部的表层更早出现了一个相对的高浓度区域（1 700～1 850 d），很可能是由于台湾以东的黑潮次表层水跨陆架入侵进入东海后，继续向北输送，在到达浅滩区域时通过上升流作用带到表层。通过示踪实验中的放射性核素的运动情况，福岛外海排放的放射性核素将率先抵达并进入东海海区内，后续通过不同途径进入南海、黄海及渤海。
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图 5 中国海附近表层放射性核素扩散的时间序列Figure 5. Time series of surface distribution of radionuclide near China Seas为了更清晰地理解放射性核素进入中国海区的主要途径与通道，本文选择了中国海与大洋间可能存在物质交换的6个通道断面，并给出了各个断面在不同季节的流速分布情况，如图6所示（断面位置参考图1b中红色线，其中黑色实线为正跨断面流速，黑色虚线为负跨断面流速，灰色部分为断面处地形）。按照从南到北的顺序，分别对应TUS、RI岛屿间通道、ET、LS、MS、KS。本文中定义入流为从外海进入中国渤海、黄海、东海、南海4个海区（流速为正值），出流为由中国海流向外海（流速为负值），且流速均进行了矢量旋转。从流速分布来看，TUS主要为出流通道，由东海向日本海输送物质，仅有极少部分的入流存在，是放射性核素输运出中国海的途径之一。RI岛屿间通道断面有复杂的出流-入流结构，在最北端由于黑潮在此向东，因而有很强的出流信号；而在南侧，尤其是秋冬季节，在表层有入流信号，也解释了示踪实验结果中放射性核素自北太平洋输送至RI后，在海洋表层会有部分跨过RI；在表层之下，各个季节均存在一些入流结构，但主要仍然是由东海向外的出流主导；另外，有研究表明，冲绳海槽与东海陆架间的断面会有净的入流，因而可以认为放射性核素进入冲绳海槽后，也可能进一步跨陆架方向进入到东海陆架[26]。这些结果表明冲绳海槽两侧相反的物质输运方向，存在水体辐散的特征，在东侧向外海输送，而在西侧向陆架输入，这对进入冲绳海槽的放射性核素是否会进一步影响中国近海具有重要作用。ET断面，由于很强的西边界流黑潮，表现为很强的入流信号，但大部分水体会通过回流返回主流中继续向东北输送[42]，在ET进入东海陆架区主要是靠100～150 m深度的次表层水在夏季的入侵[43-44]，从图6断面流速分布中可以看出，ET断面的左侧有明显的季节性入侵信号，入侵主要发生在夏季，与研究者的结论相同[45]。LS断面在北侧由于黑潮的弯曲，有偶极子形式的流速分布，在南侧上层有一个入流存在而下层是出流，与最近研究提出的南海三明治形式的环流结构基本吻合[46]。与上面4个大洋-边缘海水交换断面不同，与印尼海区存在水交换的2个断面都显示出了显著的季节变化特征：春夏季MS有较强的入流信号，由苏禄海向南海进行物质输送，而秋冬季明显是出流占主导，与潜标观测的季节信号一致[47]；夏季KS是入流方向主导，即由爪哇海向南海输送，而在其他季节尤其是冬季为出流主导，与观测情况一致[48]。本文进一步计算了模拟时间内各个断面年平均净水通量（Water flux），作为判断其作为入流还是出流通道的依据，公式如下：
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图 6 6个通道断面在不同季节的流速分布情况Figure 6. Distribution of cross-section velocity at six channels in different seasons\mathrm{W}\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{r}\; \mathrm{flux}=1/T\times\int_T\int_S\boldsymbol{V}\mathrm{d}S\mathrm{d}T (2) 式中： S 为断面面积； T 为时间。各个断面年平均净水通量结果如表1所列，其中正值为外海向中国海输入，负值为中国海向外海输送。从表1可以看出，只有ET、LS断面是净的流入，即放射性核素主要通过这2个通道进入中国海；而TUS、MS和KS是净的流出，是向外海输送放射性核素的通道。即使RI岛屿间通道在表层有通过跨断面向中国近海的流速，但整个断面积分结果仍然是以出流为主，这也与模式得到的表层放射性核素结果及动力过程相符。
表 1 6个通道断面年平均净水通量（5 a）Table 1. Annual-mean net water flux at 6 channels (5 years)海峡名称 平均净水通量/Sv TUS −1.58 RI −42.38 ET 12.66 LS 2.37 MS −1.83 KS −0.52 4. 近海陆架环流
除了断面垂向流速分布，考虑到示踪实验中绝大部分放射性核素主要集中在上层，且中国陆架区域近海水深普遍小于200 m，本文给出了1月、4月、7月、10月0～200 m垂向积分的中国海域的水平流场分布，并对陆架环流与放射性核素输运情况的关系进行了讨论，如图7所示，其中蓝色箭头为水深小于200 m的陆架区域，黑色箭头为水深大于200 m的开阔大洋区域，灰色部分为陆地。首先可以看出，LS黑潮表现出不同的形态，秋冬季主要是以入侵态（penetrate）以及流套（loop）形式存在（图7a、d），且冬季入侵南海更深，是放射性核素进入南海主要的季节与动力过程[49]；而在春夏季黑潮主要是跨过LS持续向北（图7b），但由于中尺度涡旋撞击的影响，也会表现流套形式（图7c），这与研究者针对LS黑潮与中尺度涡旋相互作用的理论研究结果一致[50-51]，进而增加放射性核素通过LS进入南海的可能。在陆架区域，南海与东海间在夏季通过台湾暖流、冬季通过浙闽沿岸流进行物质交换，因此会影响放射性核素在东海和南海间的输送。进入黄海的放射性核素有3个可能的源头：1） 进入南海的放射性核素，夏季通过台湾暖流穿过台湾海峡后，向北的分支流动携带输送；2） 通过秋冬季较强的黄海暖流，将进入东海的放射性核素向北输送至黄海区域内；3） 黑潮次表层水在台湾东北部向陆架入侵，在沿底层到达浙江外海向北跨过长江口，进入黄海。相比较而言，渤海仅通过渤海海峡与黄海相连，物质交换途径单一，仅能由进入黄海的放射性核素随环流进一步输运至渤海区域内。
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图 7 0～200 m垂向积分的中国海域的水平流场分布a——1月；b——4月；c——7月；d——10月Figure 7. Horizontal velocity field distribution of 0-200 m depth vertically-integrated within China Seas从中国4个海区的环流情况来看，各海区间存在较强的动力联系，进入一个海区的放射性核素，往往能够通过联通海区间的海流与另一个海区进行交换，并且陆架环流的季节特征更加显著，对放射性核素迁移输运的影响较大。相比较来看，东海与南海直接受大洋环流影响较大，放射性核素更多的是通过大洋-边缘海间的物质交换进入这两个海域；而放射性核素要进入渤海、黄海之内，更多的通过陆架环流的作用，把进入东海与南海的放射性核素输送进这两个海区。
5. 时间估计
在厘清放射性核素从福岛外海排放，如何经过北太平洋的动力过程，最终通过各个海峡通道进出中国海后，本文在进行时间估计之前，将示踪物迁移扩散路径与过往研究进行了对比。结果表明，表层示踪物的整体迁移扩散路径与表层漂流浮标的观测一致。同时，本文中的模拟结果对比研究者通过拉格朗日追踪[52]、欧拉方法[53-54]以及考虑生物富集、沉积沉降等过程[55-56]的模拟结果，放射性核素在海洋中随水体迁移扩散的路径与分布是十分相似的。过往研究都是根据观测或者模拟结果给出了一些放射性核素对不同海域的时间估计，但不仅观测与模式间的时间结果存在较大的误差，即便观测-观测间、模式-模式间的估计也有不同时间跨度。因而，借助本文中针对北太平洋建立的高分辨率海洋动力模式进行新的时间估计具有十分重要的现实意义。
首先本文对渤海、黄海、东海、南海进行了区域内全水深平均，绘制了浓度增长的时间序列，如图8a所示，本文结合实际认为当浓度超过初始浓度为10−9后（图8a中虚线），才开始具有一定的实际意义，更小的数值可能来源于模式进行计算时的误差以及虚假的扩散信号。由图8a可以看出，以10−9为标准，东海在排放后的960 d左右最早开始受到放射性核素影响，黄海在排放后的1 620 d受到影响，而南海在1 750 d才开始受到影响，与前面提到的动力机制相关，黄海更早受到通过东海进入的放射性核素影响，而南海则需要放射性核素在外海继续向西南移动，到达LS后进入，因而南海相对黄海更晚受到影响。渤海最晚受到放射性核素的影响，可以看到在模拟的时长内，渤海内平均放射性核素浓度尚未达到大于10−9的水平，其受影响的时间需要未来更长时间的持续模拟来确定。
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图 8 中国海及附近海域放射性核素的影响时间估计a——放射性核素的浓度增长时间序列；b——以初始浓度为10−9为标准放射性核素影响时间估计的水平分布；c——以初始浓度为10−6为标准放射性核素影响时间估计的水平分布；d——以初始浓度为10−3为标准放射性核素影响时间估计的水平分布Figure 8. Time estimation of radionuclide around China Seas本文进一步绘制了以初始浓度为10−9、10−6、10−3为标准，海表放射性核素到达指定3个浓度的时间水平分布。可以看到在福岛外海南侧，有一个从东向西延伸的“时间渐变舌”（图8b、c），这与前面讨论的示踪实验的结果以及涉及的动力过程相吻合。从各个海区整体到达指定浓度的时间来看，东海最快，黄海其次，南海再次，渤海最慢，这与区域平均的时间序列表现一致，并且在模拟的1 950 d内，渤海和南海均没有到达10−6的浓度（图8c）。另外，在浙江外海及黄海南部海表层有显著的更短时间内到达指定浓度的区域，这与放射性核素浓度分布结果相互印证，表明局地上升流在这一过程中起到了非常重要的作用，证明了在陆架海区，垂向的动力过程对放射性核素的分布及输送也会有重要的影响。另外，在模拟的5 a多时间内，以10−3来进行时间估计，放射性核素仍然限制在福岛外海（图8d），即黑潮延伸体流域附近，这与图3、5中等值线的分布情况一致，表明高浓度放射性核素在模拟期间并未到达中国海外缘，因而更无法影响到中国近海区域。
作为外海与中国海物质交换最主要的途径，本文对5个通道断面到达初始浓度为10−9、10−6的时间同样进行了估计，结果如图9所示，其中灰色部分为海底地形，或者为缺省值（KS由于并没有受到影响，因而在图9中省略）。TUS、MS 2个断面到达指定浓度的时间分布比较均一，且均在跨海峡流动主轴位置相对更早地受到放射性核素影响。但在模拟的整个时长内，MS没有到达10−6浓度阈值，KS甚至还没有受到影响（未到10−9），考虑到两个与印太交汇区连接的海峡地理位置离释放源区最远，海峡周围流动较弱，因而受到放射性核素影响最晚，且浓度与同时间其他海峡比更低。对于中国海与大洋的物质交换通道断面的时间分布情况，RI附近是最短时间到达指定浓度的海域，并且RI断面上层比下层更早到达指定浓度，且与ET断面右侧上层海洋的分布基本一致，时间上略微滞后ET断面，因而上层这部分主要由东海黑潮联通。LS断面上，可以看到表层相对于深层，到达指定浓度的时间更长，再次证明了北太平洋模态水潜沉过程对放射性核素进入南海的垂向结构有重要的影响。总而言之，各个断面位置是中国海区与其他海区及大洋间的边界位置，放射性核素在各个断面的垂向时间分布，能够在一定程度上反映中国海开始受到不同浓度放射性核素影响的临界时间，具有重要的现实意义。
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图 9 5个通道断面到达初始浓度的10−9（a）、10−6（b）的时间估计Figure 9. Time estimation for 5 channels to reach initial concentration of 10−9 (a) and 10−6 (b)6. 结论
本文首先建立了覆盖北太平洋区域高分辨率海洋动力模式，运行到气候态稳定状态后，根据现实中核废水的排放时间，选择了合适的初始场，结合被动示踪实验，对核废水中的放射性核素在排放入海1 950 d内的扩散迁移输运情况进行了刻画，并讨论了其进入中国海的主要途径及动力过程，本文得出的主要结论如下。
1） 自福岛外海至中国海外缘：绝大部分福岛外海排放的放射性核素随黑潮延伸体向东输运；在到东经170°附近时，一部分放射性核素由于黑潮延伸体南侧的西南向回流，同时被副热带区域丰富的中尺度涡旋活动裹挟，不断向中国海外缘输送靠近；另外，太平洋副热带模态水生成及潜沉过程也会携带放射性核素由中太平洋向西南输送，靠近中国海外缘。
2） 自中国海外缘至中国近海：放射性核素最早通过RI表层及ET的岛屿间通道进入东海，后续再通过黑潮入侵及流套或者模态水潜沉过程进入南海；而TUS、MS及KS是放射性核素随流动向外海输送的主要通道。另外大洋-边缘海间的通道与边缘海间的通道相比，由于受到强西边界流黑潮的影响，季节变化并不显著。
3） 放射性核素进入东海与南海后，进一步通过陆架环流进行海区间交换，特别是通过台湾暖流及黄海暖流被输运到黄海与渤海之中。同时，陆架环流的季节变化十分重要，在不同季节甚至会出现完全相反的输运方向。
4） 以初始浓度为10−9、10−6、10−3作为标准，东海最早受到放射性核素影响，黄海相较于南海受到放射性核素影响更早，渤海是最晚受到放射性核素影响的海区。在模拟的1 950 d中，渤海与南海并没有到达10−6初始浓度，并且浓度在10−3的放射性核素仍局限在福岛外海黑潮延伸体区域内，在模拟时长内对中国近海暂时没有任何影响。对关键通道垂向的时间估计结果表明，浅水通道受影响时间相对均一，而深水通道因存在垂向结构，进而导致放射性核素的影响时间不同。
本文详细给出了排放核废水中的放射性核素从北太平洋接近中国海外缘，后续进入中国渤海、黄海、东海、南海的动力过程与途径，并进一步对放射性核素影响各个区域的时间进行了估计，对于开展放射性核素的监测与预防具有重要的参考意义，同时为进一步研究海洋放射性核素对大气、生态、沉积乃至多圈层的影响奠定了动力基础。
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图 1 高分辨率海洋动力模式示意图
a——覆盖范围；b——图1a局部放大图；c——福岛外海示踪物初始释放垂向示意图
Figure 1. Coverage and set up of high-resolution ocean model
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图 2 放射性核素在北太平洋的三维分布
Figure 2. Three-dimensional distribution of radionuclide within North Pacific
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图 3 北太平洋表层示踪物扩散的时间序列
Figure 3. Time series of surface distribution of passive tracer within North Pacific
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图 5 中国海附近表层放射性核素扩散的时间序列
Figure 5. Time series of surface distribution of radionuclide near China Seas
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图 6 6个通道断面在不同季节的流速分布情况
Figure 6. Distribution of cross-section velocity at six channels in different seasons
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图 7 0～200 m垂向积分的中国海域的水平流场分布
a——1月；b——4月；c——7月；d——10月
Figure 7. Horizontal velocity field distribution of 0-200 m depth vertically-integrated within China Seas
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图 8 中国海及附近海域放射性核素的影响时间估计
a——放射性核素的浓度增长时间序列；b——以初始浓度为10−9为标准放射性核素影响时间估计的水平分布；c——以初始浓度为10−6为标准放射性核素影响时间估计的水平分布；d——以初始浓度为10−3为标准放射性核素影响时间估计的水平分布
Figure 8. Time estimation of radionuclide around China Seas
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图 9 5个通道断面到达初始浓度的10−9（a）、10−6（b）的时间估计
Figure 9. Time estimation for 5 channels to reach initial concentration of 10−9 (a) and 10−6 (b)
表 1 6个通道断面年平均净水通量（5 a）
Table 1 Annual-mean net water flux at 6 channels (5 years)
海峡名称 平均净水通量/Sv TUS −1.58 RI −42.38 ET 12.66 LS 2.37 MS −1.83 KS −0.52 
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[1] 李小龙, 徐春艳, 刘新华, 等. 福岛事故废液滞留和循环处理进程分析[J]. 核科学与工程, 2016, 36(5): 701-708. doi: 10.3969/j.issn.0258-0918.2016.05.020 LI Xiaolong, XU Chunyan, LIU Xinhua, et al. The process analysis of retention and cycling treatment of liquid waste from Fukushima nuclear disaster[J]. Nuclear Science and Engineering, 2016, 36(5): 701-708(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.0258-0918.2016.05.020
[2] BUESSELER K, AOYAMA M, FUKASAWA M. Impacts of the Fukushima Nuclear Power Plants on marine radioactivity[J]. Environmental Science & Technology, 2011, 45(23): 9931-9935.
[3] FUKUDA M, AONO T, YAMAZAKI S, et al. Dissolved radiocaesium in seawater off the coast of Fukushima during 2013-2015[J]. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, 2017, 311(2): 1479-1484. doi: 10.1007/s10967-016-5009-9
[4] BUESSELER K. Fukushima and ocean radioactivity[J]. Oceanography, 2014, 27(1): 92-105. doi: 10.5670/oceanog.2014.02
[5] MADERICH V, JUNG K T, BEZHENAR R, et al. Dispersion and fate of 90Sr in the Northwestern Pacific and adjacent seas: Global fallout and the Fukushima Dai-ichi accident[J]. Science of the Total Environment, 2014, 494: 261-271.
[6] AOYAMA M, KAJINO M, TANAKA T Y, et al. 134Cs and 137Cs in the North Pacific Ocean derived from the March 2011 TEPCO Fukushima Dai-ichi Nuclear Power Plant accident, Japan, Part two: Estimation of 134Cs and 137Cs inventories in the North Pacific Ocean[J]. Journal of Oceanography, 2016, 72(1): 67-76. doi: 10.1007/s10872-015-0332-2
[7] MORINO Y, OHARA T, NISHIZAWA M. Atmospheric behavior, deposition, and budget of radioactive materials from the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant in March 2011[J]. Geophysical Research Letters, 2011, 38(7).
[8] CHEN G, WANG Q, CHU X. Accelerated spread of Fukushima’s waste water by ocean circulation[J]. The Innovation, 2021, 2(2): 100119. doi: 10.1016/j.xinn.2021.100119
[9] ZHAO C, WANG G, ZHANG M, et al. Transport and dispersion of tritium from the radioactive water of the Fukushima Daiichi Nuclear Plant[J]. Marine Pollution Bulletin, 2021, 169: 112515. doi: 10.1016/j.marpolbul.2021.112515
[10] KAERIYAMA H, AMBE D, SHIMIZU Y, et al. Direct observation of 134Cs and 137Cs in surface seawater in the western and central North Pacific after the Fukushima Dai-ichi Nuclear Power Plant accident[J]. Biogeosciences, 2013, 10(6): 4287-4295. doi: 10.5194/bg-10-4287-2013
[11] DENG F, LIN F, YU W, et al. The distributions of 134Cs, 137Cs and 90Sr in the northwest Pacific seawater in the winter of 2012[J]. Marine Pollution Bulletin, 2020, 152: 110900. doi: 10.1016/j.marpolbul.2020.110900
[12] 张福乐, 王锦龙, 黄德坤, 等. 福岛核污染水中的人工放射性核素及其在海洋环境中的迁移转化行为[J]. 地球科学进展, 2024, 39(1): 23-33. ZHANG Fule, WANG Jinlong, HUANG Dekun, et al. Artificial radionuclides in the Fukushima nuclear contaminated water and their migration and transformation behaviors in the marine environment[J]. Advances in Earth Science, 2024, 39(1): 23-33(in Chinese).
[13] BUESSELER K O, JAYNE S R, FISHER N S, et al. Fukushima-derived radionuclides in the ocean and biota off Japan[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2012, 109(16): 5984-5988.
[14] 卢锡, 胡石建, 王凡, 等. 基于漂流浮标观测分析日本福岛以东表层海洋物质的散播轨迹[J]. 海洋与湖沼, 2022, 53(5): 1027-1044. LU Xi, HU Shijian, WANG Fan, et al. Analysis of spreading trajectory of surface ocean materials from east of Fukushima of Japan based on drifting buoy observations[J]. Oceanologia et Limnologia Sinica, 2022, 53(5): 1027-1044(in Chinese).
[15] BEHRENS E, SCHWARZKOPF F U, LÜBBECKE J F, et al. Model simulations on the long-term dispersal of 137Cs released into the Pacific Ocean off Fukushima[J]. Environmental Research Letters, 2012, 7(3): 034004. doi: 10.1088/1748-9326/7/3/034004
[16] 赵云霞, 韩磊, 曲大鹏, 等. 福岛核事故释放的137Cs在西北太平洋海水中输运的模拟与预测[J]. 海洋科学进展, 2017, 35(2): 221-233. ZHAO Yunxia, HAN Lei, QU Dapeng, et al. Numerical study and prediction of 137Cs transport from the Fukushima nuclear accident in the Northwest Pacific Ocean[J]. Advances in Marine Science, 2017, 35(2): 221-233(in Chinese).
[17] LIU Y, GUO X Q, LI S W, et al. Discharge of treated Fukushima nuclear accident contaminated water: Macroscopic and microscopic simulations[J]. National Science Review, 2021, 9(1): nwab209.
[18] KAWAMURA H, KOBAYASHI T, FURUNO A, et al. Preliminary numerical experiments on oceanic dispersion of 131I and 137Cs discharged into the ocean because of the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant disaster[J]. Journal of Nuclear Science and Technology, 2011, 48(11): 1349-1356. doi: 10.1080/18811248.2011.9711826
[19] AOYAMA M, HAMAJIMA Y, HULT M, et al. 134Cs and 137Cs in the North Pacific Ocean derived from the March 2011 TEPCO Fukushima Dai-ichi Nuclear Power Plant accident, Japan, Part one: Surface pathway and vertical distributions[J]. Journal of Oceanography, 2016, 72(1): 53-65. doi: 10.1007/s10872-015-0335-z
[20] GARRAFFO Z D, KIM H C, MEHRA A, et al. Modeling of 137Cs as a tracer in a regional model for the Western Pacific, after the Fukushima-Daiichi Nuclear Power Plant accident of March 2011[J]. Weather and Forecasting, 2016, 31(2): 553-579. doi: 10.1175/WAF-D-13-00101.1
[21] ZHAO C, WANG G, QIAO F, et al. A numerical investigation into the long-term behaviors of Fukushima-derived 137Cs in the ocean[J]. Acta Oceanologica Sinica, 2015, 34(12): 37-43. doi: 10.1007/s13131-015-0775-8
[22] RONG Y, LIANG X S. A study of the impact of the Fukushima nuclear leak on East China coastal regions[J]. Atmosphere-Ocean, 2018, 56(4): 254-267. doi: 10.1080/07055900.2017.1421139
[23] 赵昌, 乔方利, 王关锁, 等. 历次核试验进入海洋的137Cs对中国近海影响的模拟研究[J]. 海洋学报, 2015, 37(3): 15-24. doi: 10.3969/j.issn.0253-4193.2015.03.002 ZHAO Chang, QIAO Fangli, WANG Guansuo, et al. Simulation of the influence of 137Cs from nuclear experiments on China Seas[J]. Acta Oceanologica Sinica, 2015, 37(3): 15-24(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.0253-4193.2015.03.002
[24] 李子超, 周涛, 司广成, 等. 冬夏海阳核电厂核素在近海域的迁移路径和浓度分布研究[J]. 核动力工程, 2020, 41(4): 135-140. LI Zichao, ZHOU Tao, SI Guangcheng, et al. Study on radionuclide migration path and concentration distribution in coastal waters of Haiyang nuclear power plant in winter and summer[J]. Nuclear Power Engineering, 2020, 41(4): 135-140(in Chinese).
[25] 陈灿, 李俊峰, 王建龙. 福岛核事故后的海洋放射性排放和监测研究进展[J]. 科技导报, 2022, 40(17): 105-112. CHEN Can, LI Junfeng, WANG Jianlong. Marine radioactivity emission and monitoring after Fukushima Daiichi accident[J]. Science & Technology Review, 2022, 40(17): 105-112(in Chinese).
[26] 林武辉, 余克服, 杜金秋, 等. 日本福岛核废水排海情景下海洋生态环境影响与应对[J]. 科学通报, 2021, 66(35): 4500-4509. doi: 10.1360/TB-2021-0743 LIN Wuhui, YU Kefu, DU Jinqiu, et al. Consequences of marine ecological environment and our preparedness for Fukushima radioactive wastewater discharge into the ocean[J]. Chinese Science Bulletin, 2021, 66(35): 4500-4509(in Chinese). doi: 10.1360/TB-2021-0743
[27] DIAZ H, FOLLAND C, MANABE T, et al. Workshop on advances in the use of historical marine climate data[J]. Bulletin of the World Meteorological Organization, 2002, 51(4): 377-379.
[28] YANG D, YIN B, CHAI F, et al. The onshore intrusion of Kuroshio subsurface water from February to July and a mechanism for the intrusion variation[J]. Progress in Oceanography, 2018, 167: 97-115.
[29] YANG D, HUANG R X, FENG X, et al. Wind stress over the Pacific Ocean east of Japan drives the shelf circulation east of China[J]. Continental Shelf Research, 2020, 201: 104122.
[30] YANG D, YIN B, SUN J, et al. Numerical study on the origins and the forcing mechanism of the phosphate in upwelling areas off the coast of Zhejiang Province, China in summer[J]. Journal of Marine Systems, 2013, 123: 1-18.
[31] LI Y, YANG D, XU L, et al. Three types of typhoon-induced upwellings enhance coastal algal blooms: A case study[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2022, 127(5): e2022JC018448. doi: 10.1029/2022JC018448
[32] XU L, YANG D, FENG X, et al. Influence of mesoscale eddies on the cross-shelf phosphate transport of the Kuroshio current northeast of Taiwan: A modeling study[J]. Frontiers in Marine Science, 2023, 9: 1079418. doi: 10.3389/fmars.2022.1079418
[33] YANG D, YIN B, LIU Z, et al. Numerical study of the ocean circulation on the East China Sea shelf and a Kuroshio bottom branch northeast of Taiwan in summer[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2011, 116(C5): C05015.
[34] SHCHEPETKIN A F, MCWILLIAMS J C. The regional oceanic modeling system (ROMS): A split-explicit, free-surface, topography-following-coordinate oceanic model[J]. Ocean Modelling, 2005, 9(4): 347-404. doi: 10.1016/j.ocemod.2004.08.002
[35] CHELTON D B, SCHLAX M G, SAMELSON R M. Global observations of nonlinear mesoscale eddies[J]. Progress in Oceanography, 2011, 91(2): 167-216. doi: 10.1016/j.pocean.2011.01.002
[36] UENO H, BRACCO A, BARTH J A, et al. Review of oceanic mesoscale processes in the North Pacific: Physical and biogeochemical impacts[J]. Progress in Oceanography, 2023, 212: 102955. doi: 10.1016/j.pocean.2022.102955
[37] MCWILLIAMS J C, FLIERL G R. On the evolution of isolated, nonlinear vortices[J]. Journal of Physical Oceanography, 1979, 9: 1155-1182. doi: 10.1175/1520-0485(1979)009<1155:OTEOIN>2.0.CO;2
[38] OKA E, QIU B, KOUKETSU S, et al. Decadal seesaw of the central and subtropical mode water formation associated with the Kuroshio extension variability[J]. Journal of Oceanography, 2012, 68(2): 355-360. doi: 10.1007/s10872-011-0098-0
[39] 许丽晓, 刘秦玉. 海洋涡旋在模态水形成与输运中的作用[J]. 地球科学进展, 2021, 36(9): 883-898. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2021.085 XU Lixiao, LIU Qinyu. Mesoscale eddy effects on subduction and transport of the North Pacific subtropical mode water[J]. Advances in Earth Science, 2021, 36(9): 883-898(in Chinese). doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2021.085
[40] YU K, QU T, DONG C, et al. Effect of subtropical mode water on the decadal variability of the subsurface transport through the Luzon Strait in the Western Pacific Ocean[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2015, 120(10): 6829-6842. doi: 10.1002/2015JC011016
[41] WANG R, REN Q, NAN F, et al. A relay of anticyclonic eddies transferring North Pacific subtropical mode water into the South China Sea[J]. Frontiers in Marine Science, 2023, 10: 1106721. doi: 10.3389/fmars.2023.1106721
[42] CUI X, YANG D, SUN C, et al. New insight into the onshore intrusion of the Kuroshio into the East China Sea[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2021, 126(2): e2020JC016248. doi: 10.1029/2020JC016248
[43] YANG D, YIN B, LIU Z, et al. Numerical study on the pattern and origins of Kuroshio branches in the bottom water of southern East China Sea in summer[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2012, 117(C2): C02014.
[44] YANG D Z, HUANG R X, YIN B S, et al. Topographic beta spiral and onshore intrusion of the Kuroshio current[J]. Geophysical Research Letters, 2018, 45(1): 287-296. doi: 10.1002/2017GL076614
[45] XU L, YANG D, BENTHUYSEN J A, et al. Key dynamical factors driving the Kuroshio subsurface water to reach the Zhejiang coastal area[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2018, 123(12): 9061-9081. doi: 10.1029/2018JC014219
[46] CAI Z, GAN J, LIU Z, et al. Progress on the formation dynamics of the layered circulation in the South China Sea[J]. Progress in Oceanography, 2020, 181: 102246. doi: 10.1016/j.pocean.2019.102246
[47] SPRINTALL J, GORDON A L, FLAMENT P, et al. Observations of exchange between the South China Sea and the Sulu Sea[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2012, 117(C5): C05036.
[48] WEI Z, LI S, SUSANTO R D, et al. An overview of 10-year observation of the South China Sea branch of the Pacific to Indian Ocean throughflow at the Karimata Strait[J]. Acta Oceanologica Sinica, 2019, 38(4): 1-11. doi: 10.1007/s13131-019-1410-x
[49] YUAN D, HAN W, HU D. Surface Kuroshio path in the Luzon Strait area derived from satellite remote sensing data[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2006, 111(C11): C11007.
[50] LIEN R C, MA B, CHENG Y H, et al. Modulation of Kuroshio transport by mesoscale eddies at the Luzon Strait entrance[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2014, 119(4): 2129-2142. doi: 10.1002/2013JC009548
[51] YUAN D, SONG X, YANG Y, et al. Dynamics of mesoscale eddies interacting with a western boundary current flowing by a gap[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2019, 124(6): 4117-4132. doi: 10.1029/2019JC014949
[52] 李子超, 周涛, 司广成, 等. 基于拉格朗日方法的核素近海迁移计算[J]. 核动力工程, 2020, 41(2): 72-77. LI Zichao, ZHOU Tao, SI Guangcheng, et al. Calculation of radionuclide migration in coastal waters based on Lagrangian method[J]. Nuclear Power Engineering, 2020, 41(2): 72-77(in Chinese).
[53] 李子超, 周涛, 司广成, 等. 基于欧拉方法的核素近海迁移计算[J]. 核科学与工程, 2020, 40(2): 256-263. doi: 10.3969/j.issn.0258-0918.2020.02.012 LI Zichao, ZHOU Tao, SI Guangcheng, et al. Research on radionuclide migration in coastal waters based on Euler method[J]. Nuclear Science and Engineering, 2020, 40(2): 256-263(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.0258-0918.2020.02.012
[54] WANG H, WANG Z, ZHU X, et al. Numerical study and prediction of nuclear contaminant transport from Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant in the North Pacific Ocean[J]. Chinese Science Bulletin, 2012, 57(26): 3518-3524. doi: 10.1007/s11434-012-5171-6
[55] 李子超, 周涛, 石顺, 等. 核泄漏事故核素近海迁移中各因素影响分析[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2020, 41(6): 907-912. doi: 10.11990/jheu.201904047 LI Zichao, ZHOU Tao, SHI Shun, et al. Influence analysis of various factors of radionuclide migration in coastal waters under nuclear leakage accidents[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2020, 41(6): 907-912(in Chinese). doi: 10.11990/jheu.201904047
[56] 张博雅. 核电站常规液态流出物中核素在近海的迁移研究[D]. 北京: 华北电力大学, 2021.
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