HAPI (HITRAN Application Programming Interface) 是HITRAN数据库提供的一个python包，可以实现对HITRAN online数据库中谱线数据的下载，以及后续谱线的模拟等常用操作。HITRANonline: HAPI​hitran.org

要使用HAPI，直接在上述网站下载.py文件，根据手册配置好环境即可，在脚本中import即可。此外，还需要制定数据存放的文件夹，如data文件夹。

from hapi import *

db_begin('data')

数据存放的文件夹中的数据分为一个.data文件和.header文件。除了通过fetch()从HITRAN online自动下载谱线数据外，还可以手动将符合HITRAN数据格式的.par文件(如HITEMP数据)直接存放在该文件夹下。HAPI会自动识别.par数据并为之生成.header。

HAPI常用的方法如下，详见getHelp()命令及手册：帮助

getHelp(name_of_the_function)

可以查看函数，谱线等的帮助。

从HITRAN online下载单一谱线数据到本地(db_begin()指定的文件夹)

fetch(TableName, M, I, numin, numax)

TableName: 本地保存的文件名

M: HITRAN中的分子编号

I: HITRAN中的同位素编号:

numin: 波数下限

numax: 波数上限

例：

fetch('HOH', 1, 1, 4000, 4100)

下载后，可以在db_begin()指定的文件夹中找到HOH.data和HOH.header文件。

建议下载过数据后不再使用该函数，改为直接读取文件夹中的数据。虽然不会重复下载，连接服务器仍需要一定时间。

过滤谱线数据

select(TableName, DestinationTableName='__BUFFER__', ParameterNames=None, Conditions=None, Output=True, File=None)

TableName: 数据文件名

DestinationTableName: 保存的文件名

ParameterNames: 参数列表

Conditions: 过滤条件，详见手册

Output: 文本输出

File: 文件输出

该函数支持表达式控制的复杂过滤条件，并且可以保存过滤到的数据，不过用DestinationTableName参数保存我自己测试不能用，可以用File参数输出成.par格式，也可以被HAPI读取。详见手册。

例：

select('sampletab', File='outtab.par', ParameterNames=(p1,p2), Conditions=(('and', ('>=', 'p1', 1), ('

将sampletab中p1>=1且p1*p2<20的p1，p2保存到outtab.par中。

提取谱线数据

getColumn(TableName, ParameterName)

TableName: 数据文件名

ParameterNames: 参数列表

输出选定数据文件选定参数的列表。

例：

p1 = getColumn('sampletab', 'p1')

可以得到sampletab的p1数据。很实用。

计算线型(以Voigt线型为例)

PROFILE_VOIGT(sg0, GamD, Gam0, sg)

sg0: 线中心位置(cm^-1).

GamD: Doppler HWHM(cm^-1)

Gam0: Speed-averaged line-width(cm^-1)

sg: 供计算的波数(cm^-1)

返回sg给定的波数范围对应的线型。

计算配分函数

partitionSum(M, I, T, step=None)

M: HITRAN中的分子编号

I: HITRAN中的同位素编号

T: 温度(K)，可以是数，数组或范围

step: 计算温度的步长。若未指定步长则计算所有T的配分函数，若指定步长则计算T[0]与T[1]间以step为步长的配分函数

输出：

TT: 温度数组，只有当输入T为数组时才输出

PartSum: 与TT对应的配分函数

TIPS-2011提供的配分函数算法。

例：

PartSum = partitionSum(1,1,[296,1000])

TT,PartSum = partitionSum(1,1,[296,1000],step=0.1)

计算吸收系数(以Voigt线型为例)

absorptionCoefficient_Voigt(Components=None, SourceTables=None, partitionFunction=>, Environment=None, OmegaRange=None, OmegaStep=None, OmegaWing=None, IntensityThreshold=0.0, OmegaWingHW=50.0, ParameterBindings={}, EnvironmentDependencyBindings={}, GammaL='gamma_air', Diluent={'air':1.0}, HITRAN_units=True, File=None, Format='%e %e')

Components: [(M,I,D)]的列表，其中

M: HITRAN中的分子编号

I: HITRAN中的同位素编号

D: 丰度(可选)

SourceTables: 计算cross-section的表

partitionFunction: 配分函数指针(默认为TIPS-2011)

Environment: 压强和温度参数的字典(默认{'p':1.,'T' :296.})

'p': 总压强(atm)

'T': 温度(K)

OmegaRange: 波数范围(cm^-1)

OmegaStep: 波数步长(cm^-1)

OmegaWing: 线中心到线强为0之间的距离(cm^-1)

IntensityThreshold: 强度阈值(cm^-1/(molec*cm^-2))

OmegaWingHW : 线中心到线强为0之间的距离的相对值(halfwidths)，与OmegaWing取最大

GammaL: 展宽参数('gamma_air'或'self')。建议不要使用这个参数，使用下面的Diluent参数设置各物种浓度。

Diluent: 气体混合物体积比例。默认是{'air':1.0}，即纯空气环境，计算展宽系数时相当于\gamma_air。若需要设置其他混合物比例，可以自行设置字典Diluent={'self':A, 'air':B, 'CO_2':C, ...}表示本物种，空气，CO_2的体积比例分别是A，B，C(A+B+C+...=1，但HAPI没有检测，需要自己注意)。注意数据库里只有空气，自身展宽系数，所以实际上其他组分除了浓度外物质种类没有影响。

HITRAN_units: 使用cm^2/molecule (True) 或cm^-1

输出：

Omegas: OmegaRange与OmegaStep给出的波数数组

Xsect: Omegas对应的吸收系数

例：

nu,coef = absorptionCoefficient_Voigt(((2,1),), 'co2', OmegaStep=0.01, HITRAN_units=False)

计算吸收光谱

absorptionSpectrum(Omegas, AbsorptionCoefficient, Environment={'l': 100.0}, File=None, Format='%e %e')

Omegas: 波数数组，一般用absorptionCoefficient_Voigt()输出的Omegas

AbsorptionCoefficient: 吸收系数数组，一般用absorptionCoefficient_Voigt()输出的Xsects

Environment: 吸收光程(cm)的字典，默认为{'l': 100.0}

File: 输出文件名

Format: 文件输出c格式

输出：

Omegas: 波数数组

Xsect: Omegas对应的吸光度

例：

nu,absorp = absorptionSpectrum(nu, coef)

谱线模拟的基本流程

下面简单演示一个基本的谱线模拟的完整过程：

首先是调用模块

from hapi import *

import numpy as np

import matplotlib.pylab as plb

import scipy.constants as C

我们希望用HITRAN数据库模拟

在7178~7192

范围内，296K(HITRAN的参照温度)，1atm，吸收光程5cm条件下的吸光度。

选择data文件夹

db_begin('data')

从HITRAN下载谱线数据至data\H2O_7178~7192，并显示数据信息

myTableName = 'H2O_7178~7192'

fetch(myTableName, 1, 1, 7178, 7192)

tableList()

describeTable(myTableName)

绘制线强图

x, y = getStickXY(myTableName)

plb.figure()

plb.plot(x, y)

plb.xlabel('wavenumber($cm^{-1}$)')

plb.ylabel('linestrength($cm^{-1}/(molecule\cdot cm^{-2})$)')

plb.title('$H_2O linestrength @ 296K$')

如图：

用Voigt线型计算吸收系数

并绘图

nu, coef = absorptionCoefficient_Voigt(SourceTables=myTableName, HITRAN_units=False)

plb.figure()

plb.plot(nu, coef)

plb.xlabel('wavenumber($cm^{-1}$)')

plb.ylabel('absorption coefficient($cm^{-1}$)')

plb.title('$H_2O absorption coefficient @ 1atm, 296K$')

如图：

计算吸光度

并绘图

myOpticalL = 5.0

nu, absorp = absorptionSpectrum(nu, coef, Environment={'l':myOpticalL})

plb.figure()

plb.plot(nu, absorp)

plb.xlabel('wavenumber($cm^{-1}$)')

plb.ylabel('absorbance')

plb.title('$H_2O absorbance @ 1atm, 296K$')

plb.show()

如图：

除了HITRAN推出的HAPI外还有其他基于数据库的光谱模拟分析包，如RADIS。有需要的朋友可以自行选用。