濕度參量之間的換算研究

[摘 要] 濕度表示方法有很多，氣象部門常用的有水汽壓、相對(duì)濕度和露點(diǎn)溫度，而且這些參量之間是可以相互換算的。在濕度各個(gè)參量的換算過(guò)程中，飽和水汽壓是個(gè)重要的函數(shù)。因此，影響飽和水汽壓大小的因子也至關(guān)重要。飽和水汽壓的大小主要由溫度和蒸發(fā)面的性質(zhì)、狀況決定。當(dāng)溫度接近0 ℃時(shí)，蒸發(fā)面是純水平面還是純水冰面的飽和水汽壓值有一些區(qū)別，特別是溫度越低，兩者的差值越大。因此，飽和水汽壓是相對(duì)于水面的飽和水汽壓還是相對(duì)于冰面的飽和水汽壓對(duì)濕度參量之間的換算有很多的影響，應(yīng)引起一些重視。

[關(guān)鍵詞] 飽和水汽壓；相對(duì)濕度；水汽壓；露點(diǎn)溫度

[中圖分類號(hào)] P426 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1674-7909（2017）22-90-2

濕度和溫度一樣，是人們可以感知的，廣義上講是定義水分含量的物理量，主要用來(lái)描述空氣（或其他氣體）中的水汽含量或潮濕程度。這里指的是水汽含量，是氣態(tài)的水，而不是液態(tài)的水。作為一個(gè)重要的參量，濕度的表示方法有很多，因應(yīng)用的目的不同，表示空氣濕度的物理量常用的有水汽壓、比濕、相對(duì)濕度、飽和差和露點(diǎn)溫度等，氣象上常用相對(duì)濕度、水汽壓和露點(diǎn)溫度3個(gè)參量表示。各個(gè)濕度參量之間是可以相互換算的，在一定氣壓和溫度下，只要測(cè)量其中任意一個(gè)參量，就可以求出其他幾個(gè)參量的值。在地面氣象觀測(cè)中，水汽壓和露點(diǎn)溫度就是由已知的氣溫、相對(duì)濕度和氣壓計(jì)算得到的。但是，在換算過(guò)程中飽和水汽壓起到了重要作用，飽和水汽壓的大小誤差會(huì)造成濕度計(jì)算之間的很大誤差。本文就濕度各參量之間的計(jì)算，以及影響其大小、影響飽和水汽壓大小的因子進(jìn)行闡述。

1 水汽壓

空氣中水汽所產(chǎn)生的壓強(qiáng)，稱為水汽壓。空氣中水汽含量愈多，水汽壓愈大；反之，水汽壓愈小。水汽壓的單位與大氣壓?jiǎn)挝幌嗤冒倥粒╤Pa）或毫米汞高（mmHg）表示。

1.1 水汽壓和飽和水汽壓

空氣中的水汽壓不能無(wú)限制地增加，在一定的溫度下，如果水汽壓增大到某一個(gè)極限值，空氣中水汽就達(dá)到飽和，如果超過(guò)這個(gè)極限值，將會(huì)有一部分水汽凝結(jié)成液體水，這一極限值稱為該溫度下的飽和水汽壓。在一個(gè)大氣壓或其以下，飽和水汽壓可以認(rèn)為是溫度的單值函數(shù)，隨著溫度的升高而迅速增大。需要注意的是，飽和水汽壓并不是濕度的參量，只是表示空氣中能容納水汽的能力。在一定氣壓、溫度下，空氣中容納的水汽所產(chǎn)生的壓強(qiáng)超過(guò)飽和水汽壓時(shí)，其中的水汽就要發(fā)生凝結(jié)形成液態(tài)水。水汽壓和飽和水汽壓的關(guān)系可由馬格奴斯（Magnus）半經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行描述：

式（1）中，E0為0 ℃時(shí)的飽和水汽壓，其值為6.11 hPa；T為溫度；a、b為兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，平水面a=7.45、b=237.3，平冰面a=9.5、b=265.0。

1.2 影響飽和水汽壓大小的因子

飽和水汽壓是不斷變化的，其大小主要由溫度和蒸發(fā)面的性質(zhì)、狀況決定。

在氣象測(cè)量的溫度和氣壓范圍內(nèi)，濕空氣的飽和水汽壓和同溫度的純水相的飽和水汽壓一般相差在0.5%以內(nèi)。通常用純水相的飽和水汽壓代替濕空氣的飽和水汽壓。

純水相的飽和水汽壓的計(jì)算有多種近似公式，WMO在1966年推薦了戈夫-格雷奇（Goff-Gratch）公式，如式（2）（3）所示，其中式（2）為相對(duì)于水面的飽和水汽壓，式（3）為相對(duì)于冰面的飽和水氣壓：

2 相對(duì)濕度

相對(duì)濕度為最常用的濕度參量。傳統(tǒng)上，把空氣中的實(shí)際水汽壓與同溫下飽和水汽壓的比值，稱為相對(duì)濕度，用百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。溫度為T，氣壓為P，水汽壓為E的濕空氣的相對(duì)濕度，定義為水汽壓E與該溫度、氣壓下的濕空氣中相對(duì)于水平面的飽和水汽壓Ew之比的百分?jǐn)?shù)，常用U表示，公式為：

濕度表示濕空氣距離飽和的程度，當(dāng)相對(duì)濕度為100%時(shí)，濕空氣處于飽和狀態(tài)。在相對(duì)濕度的定義中，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①Ew是濕空氣的飽和水汽壓，不是純水相的飽和水汽壓，他們?cè)跀?shù)值上很接近，但概念不同；②Ew是相對(duì)與平水面而言的飽和水汽壓，而不是相對(duì)于平冰面的飽和水汽壓，當(dāng)溫度低于0 ℃時(shí)，也是相對(duì)于平水面，而不是相對(duì)于平冰面；③Ew是相對(duì)于某一氣壓和溫度而言的，如果不指明氣壓和溫度，知道了濕空氣的相對(duì)濕度，只能知道濕空氣距離飽和的程度，而不能確切地知道水汽含量的絕對(duì)多少。當(dāng)氣壓小于純水相的飽和水汽壓時(shí)，這個(gè)定義是不成立的。

當(dāng)溫度較高時(shí)（一般在0 ℃以上時(shí)），用此公式進(jìn)行換算沒(méi)有問(wèn)題。由式（2）（3）對(duì)比或是式（4）（5）對(duì)比就能清楚地知道，當(dāng)溫度為0 ℃時(shí)，Ew和Ei是一樣的；但當(dāng)溫度低于0 ℃時(shí)，特別是溫度越低時(shí)兩者的相差越大，用此公式進(jìn)行換算則不太合適。這時(shí)飽和水汽壓就應(yīng)該考慮用平冰面飽和水汽壓。

3 露點(diǎn)溫度

濕度的另外一個(gè)常用表示方法是露點(diǎn)溫度，在空氣中水汽含量不變和氣壓一定的條件下，通過(guò)降低溫度而使空氣達(dá)到飽和時(shí)的溫度稱露點(diǎn)溫度，簡(jiǎn)稱露點(diǎn)，用Td來(lái)表示，單位為℃。從形式看，露點(diǎn)是表示冷熱程度的物理量，但實(shí)質(zhì)上是表示濕度狀況的一個(gè)特征量。露點(diǎn)的高低與空氣中水汽含量多少有關(guān)。空氣中水汽含量多，露點(diǎn)就高；空氣中水汽含量少，露點(diǎn)就低。所以，露點(diǎn)高低能直接反映空氣中水汽含量的多少。并且，露點(diǎn)溫度與當(dāng)時(shí)氣溫結(jié)合起來(lái)還能表示空氣的潮濕程度，露點(diǎn)與當(dāng)時(shí)實(shí)際氣溫之差越小，說(shuō)明空氣濕度越接近飽和程度，即空氣越潮濕，反之，則越干燥。

在水汽飽和的情況下，露點(diǎn)溫度和氣溫相等。露點(diǎn)溫度可以用飽和水汽壓公式直接導(dǎo)出，世界氣象組織《氣象儀器和觀測(cè)方法指南（第六版）》中提供的公式是：

在一般情況下，采用水面飽和水汽壓。但是，在低溫結(jié)冰狀態(tài)下，就應(yīng)采用純水冰面飽和水汽壓，此時(shí)Td更準(zhǔn)確地應(yīng)該叫霜點(diǎn)溫度。

4 結(jié)語(yǔ)

各空氣濕度參量的計(jì)算均與飽和水汽壓相關(guān)，所以，飽和水汽壓的計(jì)算顯得尤為重要。飽和水汽壓的大小除與溫度有關(guān)外，還與蒸發(fā)面的性質(zhì)、形狀有關(guān)。自然界中蒸發(fā)面很多，均具有不同的性質(zhì)（如水面、冰面和溶液面）和形狀（如凸面、平面和凹面）。在同樣溫度下，由于蒸發(fā)面的性質(zhì)和形狀不同，飽和水汽壓值也是不同的。特別是當(dāng)溫度接近0 ℃時(shí)，蒸發(fā)面是水面還是冰面，兩者的飽和水汽壓相差較大，特別是溫度越低時(shí)，兩者的相差就越大。因此，單純考慮純水平面飽和水汽壓來(lái)進(jìn)行換算不太合適。必要的時(shí)候應(yīng)考慮飽和水汽壓是相對(duì)于純水平面還是純水冰面，特別是在極端氣溫越來(lái)越頻繁的今天，這個(gè)更是不容忽略的問(wèn)題。