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HAPI使用方法總結(jié)（HITRAN數(shù)據(jù)庫，HITEMP數(shù)據(jù)庫）

cangck_X / 4359人閱讀

摘要：使用方法直接從官網(wǎng)上下載導(dǎo)入模塊建立文件夾，并指定該文件夾首先，建立文件夾用于本地數(shù)據(jù)庫的存放。數(shù)據(jù)庫的獲取直接下載數(shù)據(jù)庫另一種方法是直接下載好數(shù)據(jù)庫中的光譜數(shù)據(jù)，然后將其手動存放到文件夾中。從數(shù)據(jù)庫下載的數(shù)據(jù)格式是。

之前我計算高溫氣體光譜特性是自己寫的算法部分，查了好多文獻，最后計算的結(jié)果也還算比較滿意。后來我才發(fā)現(xiàn)原來HITRAN官網(wǎng)上已經(jīng)提供了HAPI，只需要調(diào)用HAPI就可以直接計算氣體的光譜特性，而無需自己寫具體的光譜特性計算方法。

HAPI (HITRAN Application Programming Interface) 是HITRAN online網(wǎng)站（https://hitran.org/）提供的python接口，可以實現(xiàn)遠程訪問HITRAN數(shù)據(jù)庫，并可以逐行下載、過濾和處理分子和原子上的光譜數(shù)據(jù)的功能。

使用方法：

1. 直接從官網(wǎng)上下載hapi.py

2. 導(dǎo)入hapi模塊

from hapi import *

3. 建立文件夾，并指定該文件夾

首先，建立文件夾用于本地數(shù)據(jù)庫的存放。例如，文件夾名為data_hitemp。

然后使用下列語句選中該文件夾。

db_begin("data_hitemp")

每次啟動Python項目時，都必須顯式指定數(shù)據(jù)庫文件夾的名稱。

4.? 數(shù)據(jù)的獲取

4.1 HITRAN數(shù)據(jù)庫的獲取：遠程連接HITRAN網(wǎng)站下載

通過fetch()可以從HITRAN online自動下載HITRAN數(shù)據(jù)庫的譜線數(shù)據(jù)。

fetch(TableName, M, I, numin, numax, ParameterGroups=[], Parameters=[])，其中TableName表示本地存放的文件名；M表示HITRAN上分子的編號，如H2O的編號是1，CO2的編號是2，N2O的編號是4，等等；I表示HITRAN上同位素的編號；numin表示波數(shù)下限；numax表示波數(shù)上限；例如：

fetch("COC", 2, 1, 2000, 2100)

上面代碼表示將波數(shù)2000-2100（cm-1)的CO2的光譜數(shù)據(jù)存放在名為“COC”的文件中。此時可以在data_hitemp文件夾中看到?一個COC.data和一個COC.header文件。

4.2 HITEMP數(shù)據(jù)庫的獲取：直接下載HITEMP數(shù)據(jù)庫

另一種方法是直接下載好HITEMP數(shù)據(jù)庫中的光譜數(shù)據(jù)，然后將其手動存放到data_hitemp文件夾中。從HITEMP數(shù)據(jù)庫下載的數(shù)據(jù)格式是.par。

?在使用下列語句之后

db_begin("data_hitemp")

可以看到，data_hitemp文件夾中的數(shù)據(jù)格式出現(xiàn)了.header

5. 計算光譜特性

根據(jù)氣體的溫度，壓力，光路長度，可以計算得到如下光譜特性：a)吸收系數(shù)（Absorption coefficient）；b)光譜吸收率（Absorption spectrum）；c)光譜透過率（Transmittance spectrum）；d)光譜輻射亮度（Radiance spectrum）。HAPI提供的線形(line shape)包括：Gaussian (Doppler)線形，Lorentzian線形，Voigt線形，Rautian線形，Speed-dependent Voigt線形，speed-dependent Rautian線形以及Hartmann-Tran線形。

5.1 吸收系數(shù)

計算吸收系數(shù)可以使用下列函數(shù)，分別代表不同的線形：

absorptionCoefficient_HTabsorptionCoefficient_VoigtabsorptionCoefficient_LorentzabsorptionCoefficient_DopplerabsorptionCoefficient_SDVoigt

下面以洛倫茲線形為例計算吸收系數(shù)：

nu,coef = absorptionCoefficient_Lorentz(SourceTables="02_2000-2125_HITEMP2010",HITRAN_units=False，Diluent={"air":1.0})plot(nu,coef)

?其中，nu代表中心波數(shù)；coef代表吸收系數(shù)；Diluent表示氣體混合物的比例，Diluent={"self":A, "air":B, "CO2":C, ...}，且滿足A+B+C+...=1。其中self用于計算自增寬半寬，air用于計算空氣增寬半寬。

數(shù)據(jù)庫里只有空氣增寬半寬和自增寬半寬，所以其他組分除了濃度外物質(zhì)種類沒有影響。
#若CO2含量為100%，則設(shè)置"self":1,另一個參數(shù)設(shè)置air=0
#若CO2含量為1%，則設(shè)置"self"=0.01,另一個設(shè)置為"air"=0.99

此時需要增加下面的代碼

coef *= xco2 #xco2代表CO2的含量

#若為純空氣環(huán)境，設(shè)置"air"=1，即可

HITRAN_units: 如果為True，單位 cm^2/molec ；如果為False， 單位cm-1 。?為了后續(xù)計算其他光譜特性如光譜吸收系數(shù)，光譜透過率，光譜輻射亮度，必須將?HITRAN_units設(shè)為 False。

下左圖?是HITRAN_units=True，下右圖?是HITRAN_units=False.

?

完整的absorptionCoefficient_Lorentz參數(shù)如下：

absorptionCoefficient_Lorentz(SourceTables, Environment={"T":296.,"p":1.}, OmegaRange, OmegaStep, OmegaWing, IntensityThreshold, OmegaWingHW, GammaL="gamma_air", HITRAN_units, LineShift, File, Format, OmegaGrid, WavenumberRange, WavenumberStep, WavenumberWing, WavenumberWingHW, WavenumberGrid, Diluent={}, EnvDependences)

Environment={"T":296,"p":1}，默認溫度T=296K，p=1atm，可根據(jù)實際溫度和壓力進行設(shè)置；

5.2?光譜吸收率，光譜透過率，光譜輻射亮度

光譜吸收率，光譜透過率，光譜輻射亮度的計算必須設(shè)置傳輸路徑長度，默認的長度是1m。光譜吸收率和光譜透過率的默認參數(shù)是?Environment={"l": 100.0}，路徑長度單位是cm。

光譜輻射亮度的默認參數(shù)是Environment={"l": 100.0, "T": 296.0}，除了路徑長度外，還有溫度，這里的溫度設(shè)置必須與之前在absorptionCoefficient設(shè)置的溫度保持一致。

nu,absorp = absorptionSpectrum(nu,coef)nu,trans = transmittanceSpectrum(nu,coef)nu,radi = radianceSpectrum(nu,coef)

需要注意的是，HAPI用戶手冊中出現(xiàn)了筆誤，默認參數(shù)是Environment={"l": 100.0, "T": 296.0}的應(yīng)該為光譜輻射亮度而非光譜透過率。

計算結(jié)果如下：

光譜吸收率：?

?

光譜透過率：?

?

光譜輻射亮度：單位是W/cm^2/sr/cm^(-1)?

?

希望能幫到需要的人，由于我接觸HAPI的時間也很短，很多地方的理解可能不到位，希望能和大家交流，促進我們共同進步。

更多關(guān)于HAPI的使用方法可以下載用戶使用手冊。

參考文章：

方巍：HAPI——HITRAN數(shù)據(jù)庫python接口 - 知乎 (zhihu.com)

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