早在20世纪70年代，一些发达国家的研究人员就从空气污染气候学的角度提出了空气资源的概念(Matson，2001; Angle et al., 2001).在我国环境研究领域，人们已经熟知水资源研究的重要性，而对于空气资源的概念却甚为陌生，只有少数学者从大气环境容量的角度对空气资源质量评价进行过探讨(宁大同等，1997).实际上，空气资源和水、矿产等其他资源一样具有稀缺性、空间分布不均匀性及资源禀赋的差异性等特点.空气资源禀赋是在不考虑大气污染物排放的情况下，对一个地区大气稀释、扩散、输送、清除等综合能力的度量，其资源禀赋的多寡仅仅取决于一个地区大气运动的规律和气象要素的时空分布. 影响空气资源禀赋测算的因素较为复杂，但大多数情况下可以用一些气象要素和污染气象特征量的组合来加以度量(刘丽等，2011).

空气作为污染源接纳方和环境质量的提供主体，其资源量(禀赋)是决定大气环境质量的基本要素.近年来，随着空气污染的加剧，以污染源为研究对象的区域污染特征的模拟与分析逐渐成为研究的焦点，部分学者已开始关注空气资源的重要性(陈燕等，2005；王艳等，2008；Ghannam et al., 2013；Yim et al., 2010)，并尝试对空气资源禀赋的差异性开展评估研究，以达到更加科学、合理、高效地利用空气资源的目的.城市环境总体规划是对城市全市域范围内进行长周期的战略性、基础性、全局性规划，在长周期规划不能明确给出未来城市建成区面积、发展水平、源排放的布局、规模方案的情况下，通过对大气环境系统进行解析，分析区域历史气象数据，给出区域空气资源禀赋的空间分布，仍可以为进一步的环境规划提供有价值的决策依据.

宜昌是国家首批城市环境保护规划总体规划制度探索并试点城市之一，通过基础理论的研究能够为探索建立科学的环境总规制度提供方法和经验参考.同时，宜昌市地处长江中上游，是山地向平原的过渡地带，三面环山，西高东低，整个城市的产业集中在三峡大坝下游冲击平原上，而常年主导风向沿江而上，且受喇叭口状地形下山谷风效应影响，易在局地形成内循环.对宜昌的研究对于复杂地形及河谷地带的探索也具有广泛的代表性，如环境保护部环境规划院和南京大学在福州市和海峡西岸地区都曾进行过类似的研究.因此，通过对宜昌市空气资源禀赋分区的研究，探索一条科学合理、切实可行的空气资源分区方法，指出城市大气资源的底线、开发上限及资源禀赋的区域差异性，对于城市的容量和承载力测算、中长期的环境管理与综合决策具有重大意义.

基于此，本研究利用MM5耦合CALMET模式，对宜昌大气环境系统进行模拟解析，从空气污染气候学的角度，评估区域内独立于排放源的空气资源禀赋分布；模拟宜昌市域范围高时空分辨率(1 km×1 km网格)通风系数A值空间分布，以此作为宜昌空气资源禀赋评估的依据，划分空气资源等级，并与地理信息系统相结合，强化空气资源分区管控政策的空间落地，以期为城市中长期发展过程中产业布局与分级调控提供技术依据.

气象条件是大气环境中最重要的自然要素，其中，混合层高度、风速是气象条件的关键指标.混合层高度反映了污染物在垂直方向被热力湍流稀释的范围，混合层高度越高，表明污染物在铅直方向的稀释范围越大，越有利于大气污染物的扩散.风速反映了自然环境对污染物的自净能力，并对污染物起着整体输送和稀释冲淡的作用，风速愈大，单位时间内污染物被输送的距离愈远，混入的空气量愈多，大气扩散稀释能力愈强.

空气资源禀赋和传统的大气环境容量均是在不考虑大气污染源排放的情况下，对一个地区大气稀释、扩散、输送、清除等综合能力的度量；不同点在于空气资源禀赋是从资源的角度出发，以大气环境容量的测算方法为科学依据(即其中通风系数A值)，仅仅考虑某一个地区大气运动的规律和气象要素的时空分布，避免容量测算中因城镇化的推进而导致建成区面积改变(公式(1)中S)，或者因空气质量标准(公式(1)中C_s)的修订或改变而影响容量结果的测算.

式中，Q_a为区域环境容量(10⁴t · a^-1)，C_s、C_b分别为浓度控制标准及背景浓度(mg · m^-3)，V_E为通风系数(m² · s^-1)，S为区域面积(km²).

目前，我国常用的A值法环境容量计算方法以箱模型为基础，主要通过混合层内平均风速和混合层高度两个参数确定污染物扩散箱体的大小.相对来说，A值法具有简单明了的特点，既能够反映影响大气污染扩散的主要参数，同时又能与当前的环境管理相一致.因此，比较适用于表示不同区域扩散能力和空气资源禀赋. 但国家推荐的A值分区方法仅将全国划分为六大区域，较为粗糙，难以满足当前及今后精细化环境管理的需求.

随着高性能计算机的发展及数值模拟技术的提高，使得高精度气象场的模拟与制作成为可能，如中尺度气象模式MM5、WRF等模拟精度达到3~4 km，CALMET利用质量守衡原理可对中尺度模式输出的气象场做进一步的地形动力学、斜坡流、热力学阻塞等诊断分析，得到更高精度的气象场.这些技术的发展与进步都为城市尺度及更高精度A值的计算提供了技术支持，也为空气资源禀赋评估奠定了良好的基础.

本研究通过对宜昌10个国家级气象监测站点2011年全年的小时气象要素(风速、风向、湿度、混合层高度、温度、气压、云量、降水等)进行综合对比分析，并考虑到冬季风速较低、扩散条件相对较差、易发生污染事故等因素，筛选出1月份最不利的气象条件作为研究对象，以此作为案例构建空气资源评估方法.

研究使用MM5耦合CALMET模型对宜昌市气象场进行模拟(Fung et al., 2007)，首先以全球1° NECP(美国国家环境预报中心)间隔6小时FNL(NCEP Final Analysis)数据为基础，使用MM5产生大尺度的风场作为初始猜测风场，模拟生成逐时的3 km×3 km中尺度气象数据；结合宜昌市域范围内10个国家级气象监测站点1月份的小时气象监测数据，对MM5模拟结果做进一步的诊断分析(MacIntosh et al., 2010；Scire et al., 2000)，使其能够反映高分辨率的地形和土地利用数据，最终生成宜昌市域范围内1 km×1 km的高分辨率气象场.

气象模式MM5采用大气非静力控制方程计算，目前已被广泛应用于各种中尺度(数公里到几百公里)大气现象的研究中(李艳等，2007；龚强等，2006；Lee et al., 2009).为了尽可能有效地模拟研究区域的气象场，本研究中MM5模式以宜昌市为中心(30.69°N，111.28°E)，由4个相互嵌套的网格组成，各层网格的分辨率分别为81 km、27 km、9 km、3 km；最内层以宜昌市及周边为主，南北、东西向均取100个格点；垂直方向采用与地形相关的σ坐标，从地表到模型顶端0.01 MPa设置23个不同的σ值.

CALMET模拟区域仍以宜昌市为中心(30.69°N，111.28°E)，东西南北方向各100 km.垂直方向从地面到高空设置10层，分别为20、40、80、160、300、600、1200、1800、2200、3000 m.

参照国家环保部颁布的《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》(GB/T 13201-91)中规定的大气环境容量核算A值法中通风系数的计算方法，本研究中空气资源禀赋的测算主要根据风速和混合层高度进行综合评估.计算方法如下(欧阳晓光，2008)：

式中，H、U分别为混合层高度(m)和混合层的平均风速(m · s^-1)，UH 可根据倒数平均法计算得出：

式中，U_i、H_i分别为第i小时的混合层高度(m)和混合层内的平均风速(m · s^-1).本研究中，通过耦合使用中尺度气象模式MM5和气象诊断模式CALMET，模拟得到逐时的混合层高度和混合层内的风速，进而计算不同区域A值大小；并按照表 1中A值的取值范围，将空气资源禀赋划分为充裕、较好、一般和稀少4个等级.

表 1(Table 1)

表 1 空气源等级划分 Table 1 Air resource levels classification

表 1 空气源等级划分 Table 1 Air resource levels classification 空气资源等级 参考标准 空气资源禀赋 一级 1≤A<3 稀少 二级 3≤A<5 一般 三级 5≤A<8 较好 四级 8≤A 充裕

为了更好地校验气象因子模拟的准确性，分别选择宜昌市区监测站点风速和温度日均监测值与模拟值进行对比分析，并对模型模拟结果进行验证.图 1a和图 2a分别给出了1月份风速和温度的监测值与模拟值的时间序列变化.可以看出，风速和温度的模拟值与监测值的变化趋势基本一致，但风速监测值与模拟值的大小存在差异，模拟值整体上比监测值偏小.程兴宏等(2009)在研究MM5/WRF气象场模拟差异对CMAQ空气质量预报效果的影响时指出，MM5对风速数值模拟结果比实际值偏小，主要是由于风速受地形的影响更显著，当前地形精度和气象场的模拟精度尚不能完全反映更小尺度地形对风速的影响，但最大值与最小值的分布位置和趋势不变，笔者的研究结果与之一致.图 1b和图 2b分别给出了风速和温度监测值与模拟值的线性拟合关系，监测值与模拟值线性拟合的可决系数分别为0.84和0.98，说明模拟值基本可以反映出宜昌区域内气象条件.

图 1(Fig. 1)

图 1 宜昌市1月份日均风速模拟值与监测值的比较及线性拟合关系 Fig. 1 Comparison of simulated and monitored wind value and the linear fit of simulated and monitored wind value

图 2(Fig. 2)

图 2 宜昌市1月份日均温度模拟值与监测值的比较及其线性拟合关系 Fig. 2 Comparison of simulated and monitored temperature value and the linear fit of simulated and monitored temperature value

山谷风对于污染物的输送和扩散具有重要影响，了解山谷风的特征，对于空气资源禀赋评估、污染源布局及其环境影响评估具有重要意义.考虑宜昌所处地形较为复杂，本研究在模拟白天和晚上瞬时风场的基础上，在宜昌市中心位置设置一个年排放1万t SO₂的虚拟高架(100 m)点源，并利用CALPUFF空气质量模型模拟该虚拟点源的瞬时浓度场分布，进一步验证和量化山谷风这一气象特征对当地污染源输送作用的影响，分析不同时刻对城区环境质量的相对影响程度，识别发生潜在的环境风险事故时的影响方向与位置.

图 3是数值模拟中2011年1月18日01时和14时的风场和浓度场分布图，其中，填色部分表示地形海拔，等值线表示瞬时风场对应的SO₂浓度分布. 由图可见，宜昌市区位于山谷前平地，受山谷效应的影响，夜间风由周围的山峰沿山谷吹向平原，受周围开阔地形的影响，风在沿山谷边缘发生水平辐散，风速明显减弱；白天由于山坡加热，山谷周围的山风减弱并发生转向，14时风由平原吹向山顶产生明显的谷风，此次模拟很好地再现了山谷风环流的过程. 图 3a对应的污染物最大落地浓度为1.74 μg · m^-3，图 3b对应的污染物最大落地浓度为113.8 μg · m^-3，说明与夜间相比，白天较大的风速并未形成较好的大气扩散能力，反而将河谷高空的部分污染物扩散至下游的谷底，造成局地污染物质的浓度持续累积.

图 3(Fig. 3)

图 3 宜昌市2011年1月18日01时(a)和14时(b)的风场 Fig. 3 Wind fields distribution at 01:00 and 14:00，18 January 2011

风场是影响大气扩散条件的重要因子，其中，风向、风速是气象条件的关键指标.风向反映了大气污染的来源、输送过程及归宿的整个流程；风速反映了自然环境对污染物的自净能力，是度量环境自净能力的关键指标. 区域风场特征可以为工业合理布局和污染源排放高度设定提供科学的依据.图 4为宜昌1月份主导风场和平均风速空间分布.由图可以看出，宜昌境内近地面风场受地形影响较大，主导方向不明显，部分区域近地面平均风速小于1 m · s^-1，静风天气较多，不利于污染物扩散；局地风向变化显著，风从宜都市、枝江市和宜昌市区开始，沿江而上的现象较为明显，宜都和枝江两市作为风场的上风向，易对城区空气质量造成影响.

图 4(Fig. 4)

图 4 宜昌市1月主导风场(a)和近地面风速(b)空间分布图 Fig. 4 Dominant wind fields and average wind speed distribution in January

图 5a显示了宜昌市1月份的平均温度分布，可以看出，宜昌冬季气温模拟结果整体在0 ℃以上，冬季气温较为温和.宜昌市区、宜都市和枝江市气温较其他区县略高，温度分布整体上受地形的影响较大，并随海拔的升高而降低，市区及东部较平坦的地区温度分布较均匀，温差较小，冬季城市热岛效应不明显，污染物受城市热岛环流输送的作用较小.

图 5b给出了宜昌市冬季的平均混合层高度的空间分布，可以看出，在冬季，混合层高度空间分布的差异性较为明显.整体上看，受长江干流、三峡库区及清江水面的影响，市区、宜都和枝江的平均混合层高度较低，在200~300 m之间，地形较为复杂的区县平均混合层高度均在400 m以上，部分区县平均混合层高度达到800 m.平均混合层高度分布的模拟结果较好地显示了不同区域的污染物在铅直方向被热力湍流稀释的范围.

图 5(Fig. 5)

图 5 宜昌市1月平均气温(a)和平均混合层高度(b)分布 Fig. 5 Average temperature and average height distribution of mixing layer distribution in January

根据模拟区域内各点处逐时的风速和混合层高度，计算得出区域冬季各点平均A值，并根据表 1的空气资源分区标准，绘制空气资源等级空间分布(图 6). 宜昌是一个空气资源禀赋分布相对不均匀的地区，受丘陵山区等复杂地形的影响，其近地层空气资源总体上居于全国中等水平. 将空气资源禀赋的分区结果与ArcGIS结合，计算得出，空气资源禀赋充裕的地区为6363 km²，约占市域面积的30.3%，主要分布在东北部的低山丘陵和山区与平原的过渡带，以及东部平原地区；空气资源禀赋较好的地区为7161 km²，约占市域面积的34.1%，主要分布在宜都市、枝江市及兴山县的部分地区；空气资源禀赋一般的地区为7308 km²，约占市域面积的34.8%，主要分布在市区、三峡库区及长江、清江流域的河谷地带；空气资源禀赋稀少的地区为168 km²，约占市域面积的0.8%.

图 6(Fig. 6)

图 6 宜昌市模拟A值分布(a)及空气资源等级分区(b)图 Fig. 6 Simulated distributions of A values and air resource levels

本文基于MM5-CALMET-A值构建空气资源评估方法，具有简单明了的特点，既能够反映空气资源禀赋区域分布的差异性，同时又能满足当前及今后精细化环境管理的需求.

上述空气资源禀赋分区的结果可参照国家主体功能区划划分的优化开发区、重点开发区、限制开发区和禁止开发区四大区域，从中长期产业布局与调控的角度，提出相应的产业准入政策，以达到更加科学、合理、高效利用空气资源的目的.空气资源禀赋充裕的区域，扩散条件好，大气环境承载能力相应较强，属于重点开发区域；空气资源禀赋较好的区域，虽然大气扩散条件较好，但开发强度已经较高，且处于城区上风向，如枝江市和宜都市，属于优化开发区域；空气资源禀赋一般的区域，主要位于市区、三峡库区及长江、清江流域的河谷地带等大气敏感区域，属于限制开发区；空气资源禀赋稀少的区域，由于扩散条件较差，存在潜在的环境风险事故.

1)本文从空气污染气候学的角度出发，基于MM5-CALMET-A值构建空气资源评估方法，首次提出了将高时空分辨率的模拟A值的计算方法与空气资源禀赋评估相结合，用来综合反映某一地区的大气扩散、稀释和输送能力的差异，并将分区结果与地理信息系统相结合，强化空气资源分区管控政策的空间落地.

2)探索研究空气资源等级分区的方法，采用高时空分辨率的模拟技术，并将精细化的空间模拟结果与地理信息系统相结合，是实现分区规划空间落地的关键.空气资源等级分区方法及应用研究表明，宜昌地区空气资源禀赋等级共分为4级，空气资源禀赋充裕的地区，A值在8以上，约占市域面积的30.3%；较好和一般的地区，A值分别在5~8和3~5之间，约占34.1%和34.8%；稀少的地区，A值在1~3之间，仅占0.8%.

3)本文提出的空气资源等级分区方法具有较强的合理性，计算方法简单明了，具有广泛的适用性，但空气资源等级的划分，具有一定的经验性和探索性，体现的不是某个地区的空气资源的绝对量，而是空间分布差异和相对大小.研究方法在一定程度上解决了长周期规划下，城市建成区面积、发展水平、污染源类型、排放量以及产业结构不确定的难题，对于城市环境总体规划长周期的战略定位具有重要的技术支撑作用，预期在中长期的环境规划与管理等方面有着较好的应用前景.