Hydrolight 软件原理及应用介绍

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Subroutines for IOP Models
Hydrolight中编写用户自己的ab子程序的流程如下： Hydrolight中编写用户自己的ab子程序的流程如下： 中编写用户自己的ab子程序的流程如下 1、首先决定模型中包含哪些组分及相应的排列顺序，顺序可由用户 安排，但必须与后面指定的单位吸收和散射组件相对应。 2、决定您将如何计算每种组分的吸收和散射系数，例如，用户可以 调用Hydrolight中的pureH2o 文件来获取纯水的a和b值，也可以将自己 的模型公式进行编程计算。 3、修改现有的IOP程序，或通过填写ab.f模板来将自己的模型调入 Hydrolight。 在运用ab.f模板时，必须保持maincode目录下的.f文件名与IOP子程序 的名一致。
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Subroutines for IOP Models
Hydrolight中最常见和最关键的任务是编写一个子程序提供模拟水体的 Hydrolight中最常见和最关键的任务是编写一个子程序提供模拟水体的 IOPs，即水体的吸收和散射。 IOPs，即水体的吸收和散射。 Hydrolight提供了6个子程序（ abconst, abcase1, abcase1H, abcase2, abacbb和abcase2 ）分别对应前面介绍的6个固有光学参数模型，用于 计算出a和b。 如果用户需要调用自己的模型，要记住一个重要原则，就是总吸收和 总散射为各组分吸收和散射的线性加和，软件中设置的组分数最多为 10个。
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SpecificSpecific-Absorption Models
叶绿素的比吸收： 叶绿素的比吸收： 系统自带的Chl比吸收存放在文件..\data\defaults\astarchl.txt 中，曲线 如下图： 在运用软件时，用户可以自行输入待研究区域的Chl比吸收，文 件格式和astarchl.txt 一致。 无机悬浮物的比吸收： 无机悬浮物的比吸收：系统自带了不同类型无机颗粒物的无机悬浮物 比吸收系数，分别有brown earth, calcareous sand, yellow clay和 red clay， 分别存放在..\data\defaults\目录下，曲线如下图： CDOM的吸收常用指数衰减函数表示： CDOM的吸收常用指数衰减函数表示： 的吸收常用指数衰减函数表示 其中，参考波长和斜率值可根据实际情况进行设定。
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Inelastic Scattering Models
Hydrolight包括三种非弹性散射：水的拉曼散射、 Hydrolight包括三种非弹性散射：水的拉曼散射、叶绿素的荧光和 包括三种非弹性散射 CDOM的荧光。 CDOM的荧光。 的荧光 水的拉曼散射： 水的拉曼散射：为了提高计算效率，Hydrolight采用平均方位角模式（ azimuthally-averaged formulation ）对Mobley在1993年提出的拉曼散射进 行处理。这种方法在方位角不对称分布的拉曼贡献率上带来了一定的 不精确。 叶绿素的荧光和CDOM的荧光： 叶绿素的荧光和CDOM的荧光： HYDROLIGHT通过计算标辐射度、 CDOM的荧光 组分的吸收并基于荧光效应再分配函数来计算荧光的光量。叶绿素荧 光效率默认为0.02，用户也可根据实际需要进行改变；CDOM的荧光 参见Light and Water Sections 5.11。
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IOP Models
Hydrolight中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，不同的模型被封装在各自的文件中，文件列表如表1 所示。 在Hydrolight中总吸收和总散射是采用各组分线性加和得到。
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Routines and data files
如上所述，Hydrolight包含了很多模型，软件也提供了对应的程序，用 户可以直接调用，但有些用户想要用自己的模型进行模拟，这就要求我们对 软件的程序和数据文件组织格式进行剖析。 本节将介绍如何对自己的模型编写子程序，以及如何组织数据文件，使 得Hydrolight可以正确的调用这些数据和模型。 Subroutines for IOP Models Subroutines for Chlorophyll Profiles Subroutines for CDOM Absorption Subroutines for Bottom BRDFs Subroutines for Sky Models Subroutines for Bioluminescence HYDROLIGHT-StandardHYDROLIGHT-Standard-Format Data Files Interpolation of Discrete Data
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Models in Hydrolight
Hydrolight在模拟时需要输入众多模型，包括：水特固有光学参数，天 空辐射分布（sky radiance distributions），底部边界反射等。用户在操 作软件的时候可以选择软件自带的前人建立的模型，也可以导入自己 建立的符合自己研究区域的模型。 IOP Models SpecificSpecific-Absorption Models SpecificSpecific-Scattering Models BottomBottom-Reflectance Models Sky Models InelasticInelastic-Scattering Models
Hydrolight 软件原理及应用介绍
汇报人： 汇报人：陆超平 汇报时间： 汇报时间：2011.08.24
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汇报内容
Introduction Models in Hydrolight Routines and data files Examples Advices
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Introduction
注意：Hydrolight只是一个用于模拟辐射传输的模型软件，它并不是 关于水体光学性质的模型，所以在运用该软件时，是需要用户自己提 供待模拟水体的固有光学参数。 Hydrolight软件模拟的输出值比仪器实际测量值要准确，因为它没有 仪器测量时的误差，而模拟的准确度与输入参数的精度有关，这就要 求我们要对输入参数的误差进行控制。
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Sky Models
Hydrolight在模拟时必须知道各波长所有方向的海面入射天空辐亮度， 为了提高灵活性，软件设置了两个独立的子程序，一个是返回天空下 行辐射的方向和漫射，另一个是返回天空辐亮度分布的角度格局。软 件自带了4个模型，如下表： Hydrolight默认的大气参数为天顶角为30°的无云天空。
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Subroutines for IOP Models
Hydrolight中编写ab子程序时要注意的几点： Hydrolight中编写ab子程序时要注意的几点： 中编写ab子程序时要注意的几点 ab子程序提供HYDROLIGHT有关的吸收和散射系数，但没有相应的 相函数，因为用户在模拟时经常要更改相函数。 由于用户界面要求提供各组分的a*, b* 和浓度信息，所以强烈建议用 户在编写自己IOP模型时尽量与UI选项一致。 在HYDROLIGHT运行时，ab子程序必须返回任何可能深度和波长的 值，所以如果你的数据是离散深度或波长的，必须在ab子程序中使用 一个内插和外推模块来得到所以深度和波长范围的a、b值。
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Introduction
Hydrolight是根据《light and water》利用Fortran语言编写的辐射传输模型 。它采用不变嵌入法(Invariant Imbedding)求解辐射传输方程以获得辐亮度 随 水 深 、 天 顶 角 、 方 位 角 、 波 长 的 分 布 变 化 情 况 。 该模式可以计算出任意平面平行的水体内部和离开水体的与时间无关的 辐射分布，计算水中的光谱强度分布时将其看作是深度、方向和波长的 函数。 模式的输入量包括：水体各组分的浓度、吸收和散射特性、风吹海表的 状况（Monte Carlo模拟）和水体底边界的性质，入射在海表面的太阳直 接辐射和天空光漫射辐射分布（使用LOWTRAN7计算）； 模式的输出量可以根据需要来确定，如各种辐射强度、反射系数、平均 余弦、K函数，以及最低点和最高点上的辐射强度，甚至还能计算出整个 辐射场的分布（分为两部分：太阳直接入射辐射和天空光漫射辐射）、 辐射K函数、路径函数等。
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SpecificSpecific- Scattering Models
Hydrolight提供了若干种方式表达散射： Hydrolight提供了若干种方式表达散射： 提供了若干种方式表达散射 GordonGordon-Morel (1983) ： 通用模式为： 通用模式为： Gould, et al. (1999) ： 散射表示为比散射和浓度的乘积： 散射表示为比散射和浓度的乘积： 比散射可由用户输入，或者调用软件自带的几种模式，自带的比 散射如下图：
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IOP Models
ABCASE1H. 该模型将水体总吸收和总散射分为四种成分的加和，包 括纯水、（大）微生物粒子、CDOM（富里酸和腐殖酸）、（小）矿 物颗粒。模型假设腐殖酸和富里酸没有散射，矿物颗粒无吸收。微生 物和矿物粒子的散射相函数是基于Kopelevich (Light and Water, Table 3.13）。 ABCASE2. 该模型是二类水体通用的四组份固有光学模型，包括纯水 、藻类颗粒物、CDOM和非藻类颗粒物。 ABACBB. 该模型是以WETLabs ac-9 测量值作为吸收和散射输入的模 型。需要注意的是要想用Hydrolight获得较好的结果，需要对输入数据 进行质量控制 ABOTHER. 该模型中的所有固有光学参数模型都由用户输入。
IOP Models
ABPURE. 该文件中包含的是纯水的吸收和散射，用户可以选择自带 的Pope and Fry (1997), Smith and Baker(1981)模型读取一个外部的a和b。 ABCONST. 该模型给出的是均匀水体在单一波长的总吸收和散射。模 型不能用于实际水体，只是用于理想化的辐射传输研究。 ABCASE1. 该模型是基于“Gordon-Morel” 模型改写的一类水体模型 (Morel and Maritorena, 2000)。
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Bottom Reflectance Models
Hydrolight可以模拟有限深度和无限深度的水体： Hydrolight可以模拟有限深度和无限深度的水体： 可以模拟有限深度和无限深度的水体 有限深度： 有限深度：将模拟输出的最大深度作为模拟时的物理底部，假设底部 是一个不透明的朗伯反射界面，软件通过Lambertian bi-directional reflectance distribution function (BRDF)将底部特征加入原始的反射率。 Hydrolight给出了几种不同底质的底部反射率，如下图： 无限深度： 无限深度：当深度大于某个值时，其水柱可以认为是均质的，水体的 固有光学特性也趋于一致，水层为非朗伯反射体；而在该深度之上， 认为水体固有光学特性变化较大，所以在选取Zmax时要选择比研究区 域光学深度大很多的值。下图为不同Zmax模拟出的IPO值：