Hydrolight 软件原理及应用介绍

南京师范大学教育部虚拟地理环境重点实验室水文软件原理及应用介绍，卢朝平，2011年8月24日。根据lightandwater，Hydrolight是用Fortran语言编写的辐射传输模型。利用不变量嵌入法求解辐射传输方程，得到辐射亮度随水深、天顶角、方位角和波长的分布变化。该模型可以计算平行于任意平面的水体内外与时间无关的辐射分布。当计算水中的光谱强度分布时，它被视为深度、方向和波长的函数。该模型的输入包括水体各成分的浓度、吸收和散射特性、海面上的风吹条件(MonteCarlo模拟)和水体底部边界的特性、入射到海面上的太阳直接辐射和天空光的漫射辐射分布(使用LOWTRAN7计算)；模型的输出可根据需要确定，如各种辐射强度、反射系数、平均余弦和k函数，以及最低点和最高点的辐射强度，甚至整个辐射场的分布(分为两部分：太阳直射辐射和漫射天光辐射)、辐射k函数、路径函数等。简介注：水文光只是一个用于模拟辐射传输的模型软件，不是一个关于水体光学特性的模型，因此在使用该软件时，用户需要提供待模拟水体的固有光学参数。软件模拟的输出值比仪器的实际测量值更精确，因为在仪器测量时没有误差，模拟的精度与输入参数的精度有关，这就要求我们控制输入参数的误差。在模拟过程中，需要输入许多模型，包括水的固有光学参数、天空辐射、底部边界反射等。当用户操作软件时，他们可以选择由他们的前辈构建的模型或者导入符合他们的研究领域的由他们自己构建的模型。iopmodels specific-吸收率模型specific-散射模型sbottom-反射率模型sskymodelsinestic-散射模型。IOPModels、Hydrolight包含一些关于吸收和散射的模型。这些模型都是关于深度和波长的函数。不同的模型打包在各自的文件中。文件列表如表1所示。在水解光中，总吸收和总散射是通过组分的线性求和获得的。该文件包含纯水的吸收和散射。用户可以选择自己的POPEANDFRY (1997)和SMITHANDBAKER (1981)模型来读取外部的A和B. ABCONST。该模型给出了单一波长下均匀水体的总吸收和散射。该模型不能用于实际水体，而只能用于理想化的辐射传输研究。ABCASE1。该模型是基于“戈登-莫雷尔”模型改写的一种水体模型(MorelandMaritorena，2000)。该模型将水的总吸收和总散射分为四种成分的总和，包括纯水、(大)微生物颗粒、CDOM(黄腐酸和腐殖酸)和(小)矿物颗粒。该模型假设腐殖酸和黄腐酸不分散，矿物颗粒不被吸收。微生物和矿物颗粒的散射相函数基于Kopelevich(光和水，表3.13)。ABCASE2。该模型是两种类型水体的通用四分量固有光学模型，包括纯水、藻类颗粒、CDOM和非藻类颗粒。ABACBB。该模型以WETLabsac-9的测量值作为吸收和散射的输入。应该注意的是，为了用Hydrolight获得更好的结果，需要对输入数据进行质量控制。该模型中的所有固有光学参数模型均由用户输入。比吸收率模型，叶绿素比吸收率：系统的叶绿素比吸收率存储在文件中. data data defaults astar chl . txt曲线如下：使用软件时，用户可以输入自己要研究的区域的Chl比吸收率，文件格式与astarchl.txt一致.无机悬浮物的比吸收：系统对不同类型的无机颗粒物(包括棕壤、石灰土、黄粘土和红粘土)的无机悬浮物有自己的比吸收系数.datadefaults directory。曲线如下图所示：CDOM吸收通常用指数衰减函数表示；参考波长和斜率值可根据实际情况设定。特殊的散射模型，水力光提供了几种方式来表达散射：戈登-莫雷尔(1983):一般模式：古尔德，金属。(1999):散射表示为特定散射和浓度的乘积：用户可以输入特定散射，也可以调用软件内置的几种模式，内置的特定散射如下图所示：BottomReflectanceModels，Hydrolight可以模拟深度有限、深度无限的水体：深度有限：模拟输出的最大深度作为模拟过程中的物理底部，假设底部是一个不透明的Lambert反射界面，软件通过Lambertinbi-directionalreflectionDistribution Function(BRDF)为原始反射率添加底部特征。水文光给出了几种不同基底的底部反射率，如下图所示：无限深：当深度大于一定值时，其水柱可以认为是均匀的，水体固有的光学特性也趋于一致，水层是非朗伯反射器；然而，在该深度以上，认为水体的固有光学特性变化很大，因此当选择Zmax时，应该选择比研究区域的光学深度大得多的值。下图显示了不同Zmax模拟的首次公开募股值。天空模型，水解光必须在模拟期间知道所有方向上所有波长的海面入射天空的辐射。为了提高灵活性，软件设置了两个独立的子程序，一个是返回天空中向下辐射的方向和扩散，另一个是返回天空中辐射率分布的角度模式。该软件有四个模型，如下表所示：水解酶的默认大气参数是云天孔，天顶角为30。水解光包括三种非弹性散射：水的拉曼散射、叶绿素的荧光和CDOM的荧光。水的拉曼散射：为了提高计算效率，Hydrolight采用了Mobley于1993年提出的方位平均地层来处理拉曼散射。这种方法给方位角不对称分布的拉曼贡献率带来一定的误差。叶绿素荧光和CDOM荧光：HYDROLIGHT通过计算标准辐射、组分吸收和基于荧光效应的再分布函数来计算荧光量。叶绿素荧光效率默认为0.02，用户也可以根据实际需要进行更改。如前所述，水解光包含许多模型，软件也提供了相应的程序，用户可以直接调用，但有些用户想用自己的模型进行模拟，这就需要我们分析软件的程序和数据文件组织格式。本节将介绍如何为您自己的模型编写子程序，以及如何组织数据文件，以便水解酶能正确调用这些数据和模型。subroutinesforiopmodelssubroutinesforchlorofelliprofilessubroutinesfordomainsharepointsubroutinesforbottombrdfssubroutinesforkymodelsubroutinesforbiolo中最常见和最关键的任务是编写一个子程序来提供模拟水体的IOPs，即水体的吸收和散射。Hydrolight提供了六个子程序(abconst、abcase1、abcase1h、abcase2、abacb和abcase2)，分别对应于上述用于计算a和b的六个固有光学参数模型。如果用户需要调用他们自己的模型，需要记住的一个重要原则是总吸收和总散射是每个分量的吸收和散射的线性和，软件中设置的最大分量分数为10。在水解酶中编写用户自己的ab子程序的过程如下：1 .首先，确定模型中包含哪些组件以及相应的排列顺序，这些组件可以由用户排列，但必须对应于稍后指定的单位吸收和散射组件。2.决定如何计算每个成分的吸收和散射系数。例如，用户可以在Hydrolight中调用pureH2o文件来获得纯水的A值和B值，或者可以编程计算自己的模型公式。3.修改现有的眼内压程序，或填写ab.f模板，将您自己的模型转移到Hydrolight。使用ab.f模板时。主代码目录中的文件名必须与IOP子例程的名称保持一致。在HYDROIGHT中编写ab子程序时需要注意的几点：ab子程序提供了与HYDROIGHT相关的吸收和散射系数，但没有相应的相位函数，因为用户在模拟过程中经常需要改变相位函数。由于用户界面需要每个组件的a*、b*和浓度信息，因此强烈建议用户在编写自己的IOP模型时尽量与用户界面选项保持一致。当HYDROLIGHT运行时，ab子程序必须返回任何可能的深度和波长值，因此，如果您的数据是离散深度或波长，则必须在ab子程序中使用插值和外推模块，以获得所有深度和波长范围的A和B值。Hydrolight提供了两种选择chl子例程的方法：选择hydro light提供的子例程：通过选择“USER-SUPPLIED DATEMALE”选项，软件将自动调用maincodechlzdata.f获取CHL数据。该程序首先读取测得的深度和叶绿素数据，然后通过线性样条插值得到每个深度的叶绿素浓度。有关chlzdata.f的标准格式，请参见示例 template chlzdata.txt .编写您自己的子程序：通过选择“USER-SUPPLIED SUBYNAME”选项来选择您编写的程序名称。该程序的格式参考了例子。CDOM吸收的子程序与CHL相似。当不考虑CDOM荧光时，调用abmodel程序，当考虑荧光时，调用acdomsub程序。对于有限的水深，底部被假定为不透明的兰伯特反射表面，底部辐射反射可以通过调用主代码BRDFLamb.f文件到兰伯特反射文件来处理。如果您想使用不属于兰伯特的BRDF的底部，步骤如下：编写一个子程序来定义BRDF，将其保存为一个新的文件名，并参考程序格式的例子。从主代码目录中删除文件，并将上面的自定义文件放入目录中。下次水解编译时，用户定义的BRDF将自动添加到底部计算中。subroutinesforskymodels中提供的天空模型，水上灯对大多数用户来说足够了。如果您想使用您自己的天空辐射模式，您可以通过参考示例模板来编写它。当运行水解酶时，有一个“生物发光”选项，用户可以通过它调用计算生物发光的函数。软件中包含的maincodes0biolum.f集成了这些功能。如果用户有自己的函数或模型，他可以通过替换函数来编写自己的程序。应该注意的是，水解光模拟的生物发光是均匀层水，而不是单一的生物发光点源。嘿。HYDROIT-标准-格式数据文件，集中数据。HobilabsHydrocateDataBottomreflectanCedata，浓度数据格式，叶绿素浓度的文件组织如下：Chlzdata，其中，如果没有要写入的内容，前6行的前10行头文件将替换为“占位符”。最后一行的A -1表示记录的结束。悬浮物的组织形式与CDOM相同。WETLabsac-9数据格式，输入WETLabsac-9(或通过ABACBBIOP选项输入，水解光将根据吸收和散射计算光场分布。需要注意的是，水解酶不能处理ac-s的原始数据，因此用户必须在使用水解酶之前处理原始数据，包括去噪、平滑等。以确保数据的质量。将处理后的数据转换为hydralight标准格式，例如：ac3当hydralight读取ac-9文件时，将进行以下初始计算：读取离散深度和波长的a和c值。检查小错误。例如，如果深度的顺序不正确，深度将被重新排列，但是数据的质量控制是需要在早期阶段解决的问题。计算b