地下热环境（Subsurface Thermal Environment, STE）是指地表以下数百米范围内的温度分布与热传递状态，它受到岩性、热传递参数、热边界条件和温度等多因素共同控制（图1）。掌握城市尺度STE时空演化对于地热能可持续开发和城市地下空间可持续利用具有重要意义。当前，准确刻画城市尺度STE面临两大挑战：一是观测数据稀疏且空间分布不均，难以捕捉地质环境的不均匀性；二是传统数值模型无法有效量化不确定性。
近日，我院研究团队系统提出了一种集成地质统计、物理建模和贝叶斯推理的城市尺度STE高空间分辨率建模框架，实现了从稀疏观测到连续空间场的可靠表征，为城市尺度地热资源评估提供了一种可复制、可扩展的解决方案。
图1地下热环境概念图
该框架充分利用公开的多源数据（包括钻孔记录、公开地质图件、地表温度遥感数据、大地热流数据库等），通过蒙特卡洛马尔科夫链、条件随机场和序贯指示模拟等数据科学方法重构岩性、热导率、达西通量等关键参数的概率分布，进而基于有限元方法求解三维稳态热传递方程，并通过近似贝叶斯计算（ABC）算法利用钻孔温度-深度剖面观测数据约束和更新模型不确定性。研究成功重建了400 m×500 m×0.5 m超高分辨率的常州三维地下温度场，结果表明城市区域存在明显的“地下热岛效应”。敏感性分析发现上边界温度是地下热环境不确定性的最主要来源，强调了优化近地表温度观测和建模方法的重要性。
图2地下温度场三维模型。
(a)、(b)两组后验实现的三维温度分布及直方图；(c) 456组实现的算术平均值，中位数22.00 °C；(d)温度方差分布
研究团队进一步评估了常州浅层地热能供暖潜力，预计全市冬季供暖总潜力均值约19.2 GW，年供暖量可达约2.7×10⁴ GWh，足以满足当地冬季供暖需求。高潜力区主要分布在东北部长江沿岸及城市核心区域，与水文地质条件和城市热排放密切相关。
图3冬季供暖换热功率二维模型。
(a)、(b)两组后验实现的二维换热功率分布；(c) 456组实现算术平均值，中位数48.34 W/m；(d)换热功率方差分布。
以上研究成果近期以“Probabilistic Characterization of City Scale Subsurface Thermal Environment Heterogeneity”为题发表于环境科学领域顶刊Environmental Science & Technology(NI期刊)。我院博士毕业生张博（现河海大学地球科学与工程学院副教授）为论文第一作者，顾凯教授和康涅狄格大学Lijing Wang博士为通讯作者，合作者包括斯坦福大学Zhen David Yin博士、Jef Caers教授、德国哈勒维腾贝格大学Peter Bayer教授、南京大学施斌教授以及江苏省地质调查研究院龚绪龙教授级高级工程师。
本研究得到了国家自然科学基金（42277124、41977217、42030701、42507215）和江苏省自然科学青年基金（BK20251499）资助。特别感谢关键地球物质循环前沿科学中心对本研究的信任和大力支持。
论文信息
Bo Zhang, David Zhen Yin, Gu Kai*, Jef Caers, Peter Bayer, Bin Shi, Xulong Gong, & Lijing Wang*. (2026). Probabilistic characterization of city scale subsurface thermal environment heterogeneity.Environmental Science & Technology. https://doi.org/10.1021/acs.est.5c17385
图文：张博、顾凯
审核：曾罡