青藏铁路抛石路基的温度特性研究

铁路道渣和片石铺层的对流换热为多孔介质的热传导问题，根据多孔介质中流体热对流的连续性方程、动量方程和能量方程，应用伽辽金法导出了多孔介质对流换热的有限元公式，并对抛石路基和传统道渣路基在未来25a创温度变化进行了预报分析和比较．计算结果表明，在150cm的抛石厚度，片石直径为10cm，年温度较差30℃的倩况下，在路基中心线y＝一5m处，抛石路基下的冻土温度要比传统路基的温度低2．45℃，抛石路基有对其下面的冻土提供冷能的制冷作用，可以保证冻土路基的稳定．因此，推荐该种路基作为青藏铁路高温冻土区的路基结构，可以最大限度地保护冻土区的铁路．     

石油污染对冻土热传导的影响

Complex experimental research of thermal properties of oil-contaminated frozen soils was carried out. On the basis of the obtained results the influence of the various factors connected with oil pollution on heat transfer in frozen soils was analyzed. And the model of heat transfer in frozen soils was offered.     

基于SDOG-ESSG的地球系统元胞自动机框架及其应用试验

元胞自动机结构简单且具备模拟复杂系统的能力,已被广泛应用于大气、流体力学、地球物理等领域。然而,现有元胞自动机以欧氏空间为约束进行地球系统过程模拟,忽略了地球重力等天然约束,导致计算过程中元胞状态的传递方向与真实运动的趋势方向不相符,一定程度上扭曲了最终的模拟结果。本文提出了地球系统元胞自动机这一概念,并从元胞表达及构建、邻居模型等方面设计了基于SDOG-ESSG格网的地球系统元胞自动机框架。由于演化规则取决于不同的应用,因此本文进一步以地壳的热传递为例,通过对热力学方程离散化设计了相应的演化规则。最后,借助公开的数据源开展了地壳热传递元胞自动机模拟的初步试验,并与一定区域下的数值模拟结果展开了比对。试验表明,与数值模拟方法相比,本文方法的模拟结果相对误差控制在27%以内,具备一定程度的可行性,可作为地球系统过程模拟的一种新思路。     

地热田热量来源及形成主控因素

地热能越来越受到重视,但地热田的形成机制和热量的来源仍存在争议,多数学者认为岩浆囊可以为地热田直接供热.以二维热传导正演模拟为手段得出,盖层是形成地热田的必要条件;在浅部存在高热传导层时,地温剖面会出现镜像倒影形态,温度在垂向上分为高梯度段、低梯度段和低温段,侵位较浅（< 10 km）的岩浆囊散热和进入热平衡时间小于20~50万a.结合大量地热田温度资料分析认为,地热田的热量不是因为存在异常热源（如岩浆囊）,而是来源于正常的基底热流.当深部热量传递到地表时,由于近地表物质的热传导能力的差异引起温度场发生变化,即地热田之下存在高热传导层快速地将基底热量传递到浅层而形成异常高温.      

热传导有限元的神经计算原理及应用

根据热传导有限元分析方法的特点，把有限元计算问题转化为带约束的非线性优化问题，并给出求解该问题的改进Hopfield(TH）网络，最后对一个简单温度场神经计算进行数值仿真，仿真结果表明，神经网络能完成有限元模型的求解。     

基于耦合热传导-冰流模型的冰川钻孔温度重建的气候反演算法比较

冰川内部温度与冰面温度变化过程密切相关,因此可由实测冰温-深度剖面重建冰面温度变化。耦合热传导-冰流物理模型及其相关反演算法是基于冰温-深度剖面重建冰面温度变化的理论基础和关键。通过构造理想条件下的数值实验,分析比较了最小二乘法、Tikhonov正则化方法和蒙特卡罗算法重建百年尺度冰面温度变化的实验结果。同时,以我国藏北高原腹地的马兰冰川钻孔资料为例,结合气象资料构造真实钻孔数据模拟实验。分别给出了三种反演算法重建10 a和40 a尺度的冰面温度变化结果,并讨论了不同算法的优劣性和适用性。两组模拟实验结果均表明:Tikhonov正则化方法是目前求解该反问题的最优方法。与其他算法相比,Tikhonov正则化方法在各个时间尺度的重建结果与真实冰面温度变化吻合更好。另外,分别对重建百年和40 a尺度的冰温-深度剖面添加±0.02℃和±0.01℃的随机误差,研究发现Tikhonov正则化方法能够有效降低噪声干扰,相较其他算法得到的解更加稳定。这在一定程度上解决了该反问题中解的稳定性问题。     

非稳态热传导时层状路面体系的温度响应

利用解析层元法推导温度荷载作用下非稳态热传导时层状路面体系的温度响应解答。从热弹性理论平面应变问题的控制方程出发,借助于Laplace-Fourier积分变换,推导出单层介质及下卧半平面的精确刚度矩阵即解析层元,结合有限层法原理及边界条件,组装并求解总刚度矩阵,得到其在变换域内的解答,最后通过相应的积分逆变换得到物理域内的真实解。由于该法刚度矩阵元素中不含正指数项,计算时不会出现溢出或病态矩阵的现象。编译了相应的计算程序,所得结果与有限元模拟结果吻合较好。在此基础上,对有限深度和半平面两种假定条件下的解答进行对比分析,并分析层状路面体系中位移和温度随时间的变化趋势及沿深度的分布规律。分析表明：温度场具有一定的影响深度,超过此深度,有限深度与半平面理论解答基本一致;温度荷载的影响深度与其强度有关,强度越大,其影响深度越深。     

Effect of the lower boundary position of the Fourier equation on the soil energy balance

In this study, the effect of the lower boundary position selection for the Fourier equation on heat transfer and energy balance in soil is evaluated. A detailed numerical study shows that the proper position of the lower boundary is critical when solving the Fourier equation by using zero heat flux as the lower boundary condition. Since the position defines the capacity of soil as a heat sink or source, which absorbs and stores radiation energy from the sky in summer and then releases the energy to the atmosphere in winter, and regulates the deep soil temperature distribution, the depth of the position greatly influences the heat balance within the soil as well as the interaction between the soil and the atmosphere. Based on physical reasoning and the results of numerical simulation, the proper depth of the position should be equal to approximately 3 times of the annual heat wave damping depth. For most soils, the proper lower boundary depth for the Fourier equation should be around 8 m to 15 m, depending on soil texture.     

黄土高原典型塬区土壤热状况研究

在陆-气相互作用中,土壤热状况（土壤温度、土壤导热率等）和土壤湿度等陆面状况对大气环流和气候变化都有着重要影响。黄土高原横跨干旱、半干旱及半湿润地区,为我国第二大高原,幅员辽阔。该复杂下垫面上的陆-气相互作用不仅直接影响到黄土高原地区的气候和环境变化,而且对东亚、乃至全球的气候和环境变化都可能产生重要影响。而对黄土高原区域的土壤热状况及土壤温度的研究是黄土高原陆-气相互作用研究的重要组成部分。分析了黄土高原典型塬区不同下垫面的土壤温度状况,分析了造成各种下垫面温度分布和变化不同的原因,得到如下结论：在近地层,随着土壤深度的增加,土壤温度振幅逐渐减小,40 cm土壤温度相对以上各层变化不明显。就季节变化而言,土壤温度在1 a中有两次稳定状态。第一次出现在4月上旬,其值约为6 ℃左右;第二次出现在11月中旬,温度值为14 ℃。相对于全年土壤温度而言,在12月到次年2月有一个低温中心,温度低于零度;7～8月间有一个暖中心。各层土壤温度在1月份是最低的,其后一路上升,4、5月份是土壤温度快速上升期,至8月上旬土壤温度达到最大值,为土壤升温期;其后温度开始下降。土壤温度梯度具有明显的日变化特征,夜间,土壤的热量是从深层传向地表的,而随着太阳高度角的加大,土壤温度梯度转为负值,深层土壤从地表获得能量,到了傍晚19时左右,温度梯度又转为正值;土壤温度梯度的变幅在有植被时要明显小于无植被时。各站的日平均土壤导热率,柴寺、塬下和中心站分别是1.43,1.24,1.17 W·m^-1·k^-1,土壤物理性质和土壤质地的不同是各站土壤温度分布和土壤热传导率存在差异的原因之一。     

水热型融雪路面金属导热管合理埋设间距研究

为了研究水热型融雪化冰路面结构中金属导热管合理布设间距, 建立了基于传热学理论的路面融雪化冰有限元分析模型, 对不同外界气温、 不同埋设间距工况下金属热管融雪化冰能力进行计算分析. 结果表明: 外界气温在0~-10 ℃之间时, 热管融雪效果明显. 气温低于-10 ℃时, 热管尽量埋设至路面中部; 热管最优间距为100~200 mm, 当热管间距>200 mm时, 即使管内水温高达40 ℃, 0 ℃ 等温线将不再连续.