目录LQF v.s. GQF12.4.1. 概述Overview12.4.1.1. 工作流程概述Workflow to model QF12.4.2. 主用户界面Main user interface12.4.3. 模型输出Model outputs12.4.4. 合成图层文件Synthesised shapefiles12.4.5. 日志Logs12.4.6. 配置文件Configuration files12.4.7. 输入数据Input data概述12.4.7.1. 空间数据Spatial data12.4.7.1.1 人口数据Population data12.4.7.1.2 能源消耗数据Energy consumption data12.4.7.1.3 交通数据Transportation data12.4.7.1.4 空间数据的时间索引Time indexing of spatial data12.4.7.2. GQF 所需的时间数据Temporal Files12.4.7.2.1. Details of temporal files12.4.7.2.1.2. Building energy profiles12.4.7.2.1.3. Metabolic activity12.4.7.2.2. Recycling of temporal data12.4.7.3. Fuel consumption file12.4.7.4. Further spatial disaggregation12.4.8. Configuration data12.4.8.1. Parameters file12.4.8.1.1. Example parameters file12.4.8.2. Data sources file12.4.8.2.1. Output areas12.4.8.2.2. Spatial data: Population and energy use shapefiles12.4.8.2.3. Specifying multiple shapefiles per section参考LQF教程的详细介绍参见另一博客-【UMEP第12.3期】LQF教程-估算人类活动热通量。本博客详细介绍 GQF教程。模型全称适用范围核心功能LQFLocal-scale Anthropogenic Heat Flux Model小范围城市尺度如街区、社区基于全国宏观数据使用人口密度细分能源和交通分布GQFGreater-scale Anthropogenic Heat Flux Model城市整体或更大区域如城市群用城市级原始数据已局部划分细化为高时空分辨热通量计算LQF v.s. GQF特征LQFGQF目标估算建筑、交通、代谢热产生的 QF同样但加入了显热、潜热、污水热成分可选空间数据来源来自内置国际数据库人口、车辆、能源等必需用户提供地区详细数据街道、建筑、交通时间分辨率每小时60 分钟每半小时30 分钟时间数据建筑能源、交通流默认来自数据库也可覆盖用户须提供全面时变数据文件交通、能耗、代谢‍♂️人口分布需求仅夜间住宅人口Residential Population数据上传夜间人口 白天工作人口Workplace Population道路交通全国车辆保有量 → 按人口下分明确道路网络和 AADT 信息模拟交通流量 → 热通量能源使用分配方式按 residential population 下分国家级总值按 residential workplace 分配城市级能源数据可选空间细化可使用土地覆盖区分建筑/道路/绿地等同样支持覆盖类型更丰富如高/低植被输出时步文件格式LQFYYYYmmdd_HH-MM.csv每小时GQFYYYYmmdd_HH-MM.csv每半小时热通量组件输出建筑B、交通T、代谢M同样三类 可扩展水/潜热等代谢建模方式固定日变化表不可覆盖需提供每周 3 类型工作日/周六/周日代谢变化图️温度敏感性建模可通过 Heating/Cooling Degree Days 建模同样支持但进一步细分为电/气/经济7等能源类型所需文件体积/配置多样性较小适合教学或快速分析非常多庞大的数据需求但更高精度数据输入需求对比输入类型LQFLocal-scaleGQFGreater-scale人口 shapefile只要 residential population必须字段名为Pop需要 residential workplace population分别上传能源 shapefile不直接上传模型读取全国总能耗数据库必须上传工业/住宅电气、经济7 数据交通 shapefile不需道路图层仅国家车辆保有量必须上传完整道路矢量图 AADT 车种 速度可选土地覆盖可选用于更灵活解构 QF 成分空间分布同上但对复杂分类高/低植被有更多支持与权重设定时序文件气温、日变化气温日均、交通建筑周变化气温、建筑、交通、代谢需日/周/季节多个维度覆盖燃油效率文件固定查表内置支持需要提供车辆 Euro-class 效率表CSV12.4.1. 概述OverviewGQF估算人类活动热通量模型是 GEF 系统下的一个模块它通过城市的人口、能源消耗与交通数据在尽可能高的空间与时间分辨率下估算人为热通量QF, Anthropogenic Heat Flux。主要从以下3个方面分析热通量建筑物用能交通能耗人体新陈代谢人口热主要特点空间分辨率最大化工业与住宅的年度能耗数据通常只提供较粗粒度如地区级GQF结合工作日与居住人口密度将其细化到精细网格层级。利用高分辨率的土地覆盖比例进一步精细划分各区域中不同功能如道路、建筑等的具体面积和用途。时间分辨率最大化从年度数据出发应用日变化昼夜、周变化工作日与周末及季节变化规律将其拆解为30分钟时间间隔的数据。计算的 QF 成分包括显热通量sensible heat潜热通量latent heat废水热通量wastewater component12.4.1.1. 工作流程概述Workflow to model QFGQF 基本操作流程如下选择参数与数据源文件配置文件定义了模型运行所需的空间与时间信息。设置输出路径所有模型输出结果、日志、中间数据将保存在此目录中。预处理数据或使用已有的将异质来源的数据整合到统一的网格体系中。此步骤耗时但只需为每组输入数据执行一次。可选提供高分辨率土地覆盖比例数据提高空间的精细度尤其在道路/建筑等细区分场景中非常重要。运行模型根据配置计算在每个网格区域/时间上的 QF。可视化结果通过附带工具可生成地图与时间序列图。12.4.2. 主用户界面Main user interface主界面用途为用户提供配置模型、加载数据、运行与可视化模拟结果的入口是与 GQF 交互的核心。配置文件设置12.4.8.1. Parameters file-Model parameters file: Fortran-90 格式的配置文件内部定义了模型运行所需的各种数值参数。12.4.8.2. Data sources file-Data sources file: 指定了所有输入数据如能耗、人口、交通轨迹等的位置。输出路径设置模型的输出文件夹12.4.3. Model outputs程序完成后将结果保存在这里已有数据会被覆盖。数据处理预处理阶段核心任务是空间统一化处理将不同来源、不同格式、不同范围的数据转换至一致的网格系统中所有下采样后的数据存放至输出目录中的/DownscaledData/文件夹此过程可能耗时数小时且QGIS 界面将暂时无响应若已有处理过的数据可以从别的位置复制至当前输出路径避免重复处理。时间范围选择用户可以通过两种方法定义模拟时间范围输出时间步长为60分钟内部仍以30分钟计算日期范围Date range输入起止日期自动覆盖整个时间段指定具体日期列表Date list通过例如2015-01-02, 2016-03-05的格式指定若干独立日子。运行模型与可视化结果点击Run Model执行模拟过程此过程可能耗时模型结果会对每一网格区域按时间分布生成 QF 的各个组成部分结果完成后可使用Visualise按钮查看动态图或静态图用户也可以通过点击Load Results载入历史模拟结果进行重现与分析。提供简单可视化工具内嵌于 QGIS用于观察1. 时间序列图每一个网格区域生成一组时间序列图图中展示三种 QF 成分显热、潜热、废水的逐时变化点击“Show”即可显示某一区域的时间序列曲线图。2. 地图视图对每一时间步与 QF 成分生成一张地图着色使用对数尺度log scale更容易展示热通量的空间差异每次选择不同时间或热通量类型地图自动更新。模块目录路径内容说明模型输出/ModelOutput/每30分钟1个CSV记录各网格热通量合成图层/DownscaledData/下采样后的 shapefile用于后续复用日志文件/Logs/包括空间/时间下采样过程详情配置存档/ConfigFiles/本次运行所用参数与数据配置12.4.3. 模型输出Model outputsGQF 模型运行后生成的主要结果文件位于每次运行选择的输出目录中的路径/ModelOutput/输出文件特点每个模拟时间步产生一个 CSV 文件每个文件表示一个时间点的信息。每一列代表一个热通量成分通常包括显热、潜热、废水组件。每一行对应一个空间单元如一个网格区域。命名格式GQFYYYYmmdd_HH-MM.csv具体含义为代码部分含义示例YYYY年份2025mm月份06dd日期14HH小时 (UTC)13MM分钟30⚠️ 所有时间均为协调世界时UTC。起始文件为00:30UTC表示时间段从00:00-00:30的模拟结果。文件格式为标准 CSV易于用 Python、Excel、R、QGIS 等工具读取与处理。12.4.4. 合成图层文件Synthesised shapefiles若模型执行过程中的输入数据进行了预处理即下采样/空间离散化等则输出路径为/DownscaledData/主要内容保存了空间上细化后的 shapefiles包括能耗住宅与工业交通网络与流量人口分布每个文件名中都体现了其代表的时间区间。作用后续模型运行时可复用这些 shapefile 文件减少重复的预处理步骤否则每次都要花费数小时重做。只要输入数据源文件Data Source没变化就可以一直反复使用。✅如果使用已有处理数据未重新预处理 → 此文件夹会保持为空。12.4.5. 日志LogsGQF 会在路径/Logs/创建多个日志文件。日志的作用提供模型运行的追踪与解释依据特别用于了解某些热通量值是如何计算、从哪里来的。日志内容包括空间离散执行步骤与所使用的属性字段每个模型时间步使用的日变化diurnal曲线年变化annual曲线使用时是星期几与时间是什么例周三 10:30每一次数据访问查询的路径与结果。这些日志在调试模型或解释异常输出结果时非常宝贵。12.4.6. 配置文件Configuration files为了方便今后溯源或重跑模型GQF 每一次运行时会将所使用的配置文件复制一份到专属目录路径/ConfigFiles/文件包括Parameters file模型参数文件通常是.nml格式的 Fortran-90 配置文件包含数值设置如时间步长度、开启哪个热通量分量等。Data Sources file数据源文件指向用于模型的所有输入数据文件包括能耗、交通、人口时间序列、空间矢量等重要资源路径。意义准确记录本次运行的所有设置若要重现这个模型运行如发表文章、报告复现可以完全使用这些配置文件再现。12.4.7. 输入数据Input data概述输入类型数据内容说明格式/数据类型作用/备注空间数据人口分布、年度能耗数据、交通网络含道路分类ESRI Shapefile (.shp)用于空间层面热源分配和计算需提供唯一标识字段ID时间数据能耗、交通流量等的日变化、周变化和季节变化模板CSV,.txt等文本文件用于进行时间解构从年度数据生成 30-min 时间序列燃油效率表不同交通工具在各种速度下的燃油消耗率来自 COPERT-II 标准CSV,Lookup table结合交通流计算交通源热通量土地覆盖数据可选地表功能类型如建筑、道路、绿地、水体等精细划分栅格Raster或矢量Vector文件若提供可明显提升空间分辨率以增强热通量估算精度12.4.7.1. 空间数据Spatial data使用多种 shapefile表示不同种类的空间数据。每个 shapefile 必须包含代表空间单元的多边形除交通数据外唯一 ID 属性用作模型内数据匹配的基础类别格式具体要求说明人口数据ShapefileResidential 与 Workday含唯一ID用于热通量与能耗细化能源数据CSV/shp年度总电力、燃气分工业/住宅粗空间分辨率下采样用交通数据Shapefile道路分类、长度、流量、速度等可选提供细粒度 AADT燃油效率表格LookupCOPERT 数据按车型速度提供消耗率默认数据可配置时间模板CSV不同日/周/季节的用能与流量模拟真实情况的必要组件土地覆盖可选Raster 或 vector用于提升空间分辨率非必须项12.4.7.1.1 人口数据Population data人口信息是模型非常核心的输入之一用于计算人体代谢产生的热量metabolic emissions将粗粒度的能源消耗数据细化到小区域模型需要两种人口数据人口类型说明Residential population夜间居住人口即家庭常驻人口Workday population白天工作/活动人口数据白天人数分布⚠️ 推荐使用空间分辨率高的人口数据如街区或小网格因为这会直接影响模拟精度。为了保证结果一致输出的空间单位应与人口 shapefile 保持一致或通过叠加裁剪方式进行匹配。12.4.7.1.2 能源消耗数据Energy consumption data每年的总能源消耗单位kWh/year必须涵盖五个子部门子部门说明Industrial electricity工业用电Industrial gas工业用气Domestic electricity住宅用电Domestic gas住宅用气Domestic “Economy 7”特殊电价用电有独特的昼夜用电模式可无则设为0多为区域尺度数据例如行政区需通过人口数据进行**空间下采样disaggregation**到模型网格中。12.4.7.1.3 交通数据Transportation data需要提供城市道路网络矢量数据精度越高越好。最低要求每一条道路为单独的线段含有道路种类属性GQF 内置的道路分类共4类 其它类型英文名典型说明Motorway高速公路、高等级快速路Primary road城市主干道、主通道Secondary road次干道、车流量较小道路Other不明确分类、低流量路段车辆类型定义共7类模型内部名称说明Motorcycle摩托车Taxi出租车Bus公交、大客车Artic拖挂式大卡车Rigid刚性卡车无拖挂LGV小型载货车Car私家车、小轿车交通数据需求数据项用途每段道路的长度计算总消耗每种车辆的平均速度燃油效率取值依据每段 ∼ 不同车辆的日均车流AADT判断每段的流量每类车的燃油类型比例汽油/柴油用于计算单位消耗若没有上述详细数据模型将自动使用配置文件中的默认设置默认参数来源包括参数用途AADT每种道路类型下的默认流量Road fleet fraction不同类型车辆在各路段的分布比例Fuel fraction每种车中柴油/汽油的比例Speed各种道路类型的典型行驶速度➡️模型将根据这些交通参数 燃油效率表COPERT-II来推算每段道路的日均燃料消耗。模型如何将交通热击分到各输出区域判断每段道路与哪些输出网格区域有交集计算交集比例作为流量/热分摊比例将该比例应用于整段道路燃料消耗得出每个网格内消耗使用燃料热值J/kg、天时间长秒和网格面积换算得出单位面积热通量 [W/m²]按照每日实测昼夜变化曲线再切分为 30分钟时间步12.4.7.1.4 空间数据的时间索引Time indexing of spatial data为捕捉人口、交通、能耗等随时间的变化模型支持导入时间序列 shapefile。工作机制假设你拥有以下人口数据shapefile生效日期pop_2015.shp2015-01-01pop_2016.shp2016-01-01你模拟时间范围为2014 → 2017模拟时间使用哪个文件2014年所有日期使用2015-01-01的数据2015年全年使用2015-01-01的数据2016起使用2016-01-01的数据模型并不在两个 shapefile 之间补插值而是按最新的生效日期使用。✔️ 同样适用于能耗、交通网络等时间序列空间数据。12.4.7.2. GQF 所需的时间数据Temporal Files热通量组件文件用途数据频率/分辨率数据类型文件说明代谢 (Metabolism)每周每天、每季人口代谢活动周期30分钟48个时间段/天CSV每天、每季代谢强度 工作人口比例交通 (Transport)不同车辆类型的每周交通流量30分钟 × 7 天 336时间段CSV每种车型单独一列按星期一开始顺序排列建筑用能 (Energy)季节性变化每日总量每日365 或 366 条CSV文件中包含 Elec 和 Gas 字段电/气昼夜变化模板曲线30分钟 × 3天类型 × 每季CSV住宅/工业用电、用气、Economy7 等分别提供12.4.7.2.1. Details of temporal files12.4.7.2.1.2. Building energy profiles12.4.7.2.1.3. Metabolic activity12.4.7.2.2. Recycling of temporal data12.4.7.3. Fuel consumption file12.4.7.4. Further spatial disaggregation12.4.8. Configuration data12.4.8.1. Parameters file12.4.8.1.1. Example parameters file12.4.8.2. Data sources file12.4.8.2.1. Output areasoutputAreas shapefileC:\GreaterQF\PopDens_2014.shpepsgCode27700featureIdsLSOA11CD/12.4.8.2.2. Spatial data: Population and energy use shapefilesresidentialPop shapefilesC:\GreaterQF\popOA2014.shpstartDates2014-01-01epsgCodes27700attribToUsePopfeatureIdsID_CODE/workplacePop shapefilesC:/GreaterQF/2011OAworkdaypop.shpstartDates2014-01-01epsgCodes27700attribToUseWorkPopfeatureIdsFEATURE_ID/12.4.8.2.3. Specifying multiple shapefiles per sectionresidentialPop shapefilesC:\GreaterQF\popOA2014.shp,C:\GreaterQF\popOA2015.shp, startDates2014-01-01,2015-01-01epsgCodes27700,32631attribToUsePop,Pop2015featureIds2014_code,2015_code/参考1、官网教程-4.5. Urban Energy Balance: GQF2、官网教程-12.4. GQF Manual