Published June 10, 2021 | Version v1
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Uncertainty quantification by reduction of the atmospheric dispersion model applied to the Fukushima nuclear accident

Description

In case of a nuclear accident that may imply a release of radionuclides into the environment, the French Institute of Radiation Protection and Nuclear Safety (IRSN) uses atmospheric dispersion models to infer mitigation actions and protect the population. In the post-accidental phase (after the release actually occurred), they also complement field measurements for the assessment of short- and long-term environmental and human health impacts. These atmospheric dispersion models compute, over a given domain, the concentrations of radionuclides in the atmosphere, the deposited quantities on the ground, as well as the gamma dose rates (radiation emitted by radionuclides present in the air and on the ground). The forecasts made by these simulations involve large uncertainties, due to the limited knowledge on input data (weather forecasts and source term), physical parameters of the model (deposition velocities, diffusion coefficients, scavenging factors, etc.), and numerical approximations. The aim of our study was to implement methods to assign probability density functions (PDFs) to the unknown errors on the input variables and to calibrate those PDFs using field observations. This was applied to the Fukushima nuclear disaster, using IRSN's operational dispersion model and field measurements collected during or after the disaster. In the evaluation and calibration processes, we made use of radiological observations of activity concentration in the air, deposition and gamma dose rates collected in Japan. Calibration methods require a large number of calls to the model, so that the computational time is far too high to use the physical model. To circumvent this issue, we built a metamodel, that is, a mathematical approximation of the physical model, based on statistical emulation. We used two interpolation methods : RBFs-Radial Basis Functions-and Kriging (Gaussian processes). One of the difficulties was to deal with the uncertain meteorological fields. Those are time-varying 2D or 3D variables whose uncertainties are time and space-dependent, as well as correlated between the different variables. To describe these uncertainties, we use an ensemble of 50 meteorological forecasts provided by the European Centre for Medium-Range Forecast (ECMWF) whose purpose is to sample the uncertain meteorological variables. We parameterized the set of possible meteorological fields as a convex linear combination of the ensemble of forecasts, which raised a number of difficulties in the design of experiment, in the metamodeling and the calibration. Similarly, nine credible release scenarios, compatible with the observations in the environment, were derived from the Fukushima literature and combined with random weights. A comparison study showed that the construction and execution time of RBF were rather low, with acceptable emulation of the results obtained with the physical model. Kriging was slower but showed better results, and provided in addition a standard deviation of the prediction error. This standard deviation was evaluated on an independent verification set of simulations (not used to build the emulator). The metamodels were then used in an ensemble-based calibration procedure. Firstly, a deterministic optimization was carried out. The aim was to find the best set of parameters that would minimize model-to-data scores such as the RMSE-Root Mean Square Error. Then, a probabilistic calibration was implemented in order to obtain a probability distribution for each parameter (convex combination and other parameters). The Metropolis-Hastings algorithm was applied to sample the distribution of uncertain parameters. The likelihood took into account the uncertainties in observational data. Samples obtained by Metropolis-Hastings were made of several Markov chain run in parallel. This was first applied to a simple meteorological model, using meteorological observations available on the Japanese territory during the Fukushima accident. For the full calibration of all uncertainties related to the dispersion model, difficulties arose from the high number of input parameters (19), the low sensitivity to meteorological ensemble weights, and the convex combination of the meteorological forecasts. (author)

Abstract (French)

En cas d'accident nucleaire pouvant impliquer un rejet de radionucleides dans l'environnement, l'IRSN utilise des modeles de dispersion atmospherique pour predire les consequences sanitaires et environnementales et preconiser des actions de protection de la population. En phase postaccidentelle (une fois les rejets effectues dans l'environnement), les simulations completent les mesures de terrain pour l'evaluation des effets a court et a long terme sur l'environnement et la sante humaine. Les modeles de dispersion atmospherique calculent, sur un domaine donne, les concentrations de radionucleides dans l'atmosphere, les quantites deposees au sol, ainsi que les debits de dose provenant du rayonnement gamma emis par les radionucleides presents dans l'air et au sol. Les previsions issues de ces simulations sont entachees de grandes incertitudes, en raison de la connaissance limitee des donnees d'entree (previsions meteorologiques et terme source), des parametres physiques des modeles de dispersion (vitesses de depôt, coefficients de diffusion, coefficients de lessivage, etc.) et des approximations numeriques de ces modeles. Le but de cette these est de mettre en place des methodes permettant d'attribuer des densites de probabilite (PDF - probability density functions) aux erreurs inconnues sur les variables d'entree et de calibrer ces PDF a l'aide d'observations de terrain. Ces methodes ont ete appliquees a la catastrophe nucleaire de Fukushima, en utilisant un modele de dispersion operationnel de l'IRSN et des mesures de radioactivite collectees pendant ou apres la catastrophe. Dans les processus d'evaluation et d'etalonnage (calibration), nous avons utilise des observations radiologiques de l'activite dans l'air, des depôts et du debit de dose collectees au Japon. Les methodes de calibration necessitent un grand nombre d'appels au modele, de sorte que le temps de calcul est beaucoup trop eleve pour pouvoir utiliser le modele physique complet. Pour contourner ce probleme, nous avons construit un metamodele, c'est-a-dire une approximation mathematique du modele physique, fonde sur l'emulation statistique. Nous avons utilise deux methodes d'interpolation : les RBF - fonctions de base radiale - et le krigeage (processus gaussiens). L'une des difficultes a ete de representer l'incertitude liee aux variables meteorologiques. Ces variables sont de grande dimension (2D ou 4D variables en temps), et leurs incertitudes sont dependantes de l'espace et du temps, et correlees entre elles. Pour les representer, nous avons utilise un ensemble de 50 previsions meteorologiques fournies par le centre europeen de prevision meteorologique (CEP), construites pour echantillonner les variables meteorologiques incertaines. Nous avons parametre les champs meteorologiques comme une combinaison lineaire convexe de l'ensemble des previsions, ce qui a souleve un certain nombre de difficultes dans la conception d'un plan d'experience, dans la metamodelisation et dans le processus de calibration. De même, neuf termes source, representant des sequences de rejets dans l'atmosphere compatibles avec les observations dans l'environnement lors de l'accident de Fukushima, et issus de la litterature, ont ete combines avec des poids aleatoires. Une etude comparative a montre que le temps de construction et d'execution de RBF etait assez faible, avec une emulation acceptable des resultats issus du modele complet. Le krigeage, plus lent, a donne de meilleurs resultats et a permis en outre d'obtenir un ecart type de l'erreur de prediction. Cet ecart type a ete evalue par comparaison a un ensemble de resultats de simulations genere specifiquement pour la verification (et non utilise pour la construction de l'emulateur). Les metamodeles ont ensuite ete utilises dans une procedure de calibration d'ensemble. Dans un premier temps, une optimisation deterministe a ete realisee. Le but etait de trouver le meilleur ensemble de parametres qui minimise les scores du modele par comparaison aux donnees, comme la RMSE - Root Mean Square Error. Ensuite, une optimisation probabiliste a ete etudiee afin d'obtenir une distribution de probabilite pour chaque parametre (poids des combinaisons convexes et autres parametres scalaires du modele). L'algorithme de MetropolisHastings a ete applique pour echantillonner la distribution des parametres. La vraisemblance tenait compte des incertitudes des donnees d'observation. Les echantillons obtenus par la methode de Metropolis-Hastings etaient constitues de plusieurs chaînes de Markov executees en parallele. Cette methode a ete tout d'abord appliquee a un modele meteorologique simple, calibre sur la base des observations meteorologiques disponibles sur le sol japonais durant l'accident de Fukushima. Pour la calibration complete des incertitudes liees au modele de dispersion, des difficultes ont decoule du nombre eleve de parametres d'entree (19), de la faible sensibilite aux poids de l'ensemble meteorologique et de la combinaison convexe des previsions meteorologiques. (author)

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Original title (French)
Quantification d'incertitude par reduction du modele de dispersion atmospherique appliquee a l'accident nucleaire de Fukushima

Publishing Information

Imprint Pagination
162 p.
Report number
FRNC-TH--13079

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Notes
58 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses