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、相對濕度和露點溫度，而且這些參量之間是可以相互換算的。在濕度各個參量的換算過程中，飽和水汽壓是個重要的函數。因此，影響飽和水汽壓大小的因子也至關重要。飽和水汽壓的大小主要由溫度和蒸發面的性質、狀況決定。當溫度接近0 ℃時，蒸發面是純水平面還是純水冰面的飽和水汽壓值有一些區別，特別是溫度越低，兩者的差值越大。因此，飽和水汽壓是相對于水面的飽和水汽壓還是相對于冰面的飽和水汽壓對濕度參量之間的換算有很多的影響，應引起一些重視。

[關鍵詞] 飽和水汽壓；相對濕度；水汽壓；露點溫度

[中圖分類號] P426 [文獻標識碼] A [文章編號] 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，是氣態的水，而不是液態的水。作為一個重要的參量，濕度的表示方法有很多，因應用的目的不同，表示空氣濕度的物理量常用的有水汽壓、比濕、相對濕度、飽和差和露點溫度等，氣象上常用相對濕度、水汽壓和露點溫度3個參量表示。各個濕度參量之間是可以相互換算的，在一定氣壓和溫度下，只要測量其中任意一個參量，就可以求出其他幾個參量的值。在地面氣象觀測中，水汽壓和露點溫度就是由已知的氣溫、相對濕度和氣壓計算得到的。但是，在換算過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造成濕度計算之間的很大誤差。本文就濕度各參量之間的計算，以及影響其大小、影響飽和水汽壓大小的因子進行闡述。

1 水汽壓

空氣中水汽所產生的壓強，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單位相同，用百帕（hPa）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限制地增加，在一定的溫度下，如果水汽壓增大到某一個極限值，空氣中水汽就達到飽和，如果超過這個極限值，將會有一部分水汽凝結成液體水，這一極限值稱為該溫度下的飽和水汽壓。在一個大氣壓或其以下，飽和水汽壓可以認為是溫度的單值函數，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生的壓強超過飽和水汽壓時，其中的水汽就要發生凝結形成液態水。水汽壓和飽和水汽壓的關系可由馬格奴斯（Magnus）半經驗公式進行描述：

式（1）中，E0為0 ℃時的飽和水汽壓，其值為6.11 hPa；T為溫度；a、b為兩個經驗參數，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面的性質、狀況決定。

在氣象測量的溫度和氣壓范圍內，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。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）為相對于水面的飽和水汽壓，式（3）為相對于冰面的飽和水氣壓：

2 相對濕度

相對濕度為最常用的濕度參量。傳統上，把空氣中的實際水汽壓與同溫下飽和水汽壓的比值，稱為相對濕度，用百分數來表示。溫度為T，氣壓為P，水汽壓為E的濕空氣的相對濕度，定義為水汽壓E與該溫度、氣壓下的濕空氣中相對于水平面的飽和水汽壓Ew之比的百分數，常用U表示，公式為：

濕度表示濕空氣距離飽和的程度，當相對濕度為100%時，濕空氣處于飽和狀態。在相對濕度的定義中，應注意以下幾點：①Ew是濕空氣的飽和水汽壓，不是純水相的飽和水汽壓，他們在數值上很接近，但概念不同；②Ew是相對與平水面而言的飽和水汽壓，而不是相對于平冰面的飽和水汽壓，當溫度低于0 ℃時，也是相對于平水面，而不是相對于平冰面；③Ew是相對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多少。當氣壓小于純水相的飽和水汽壓時，這個定義是不成立的。

當溫度較高時（一般在0 ℃以上時），用此公式進行換算沒有問題。由式（2）（3）對比或是式（4）（5）對比就能清楚地知道，當溫度為0 ℃時，Ew和Ei是一樣的；但當溫度低于0 ℃時，特別是溫度越低時兩者的相差越大，用此公式進行換算則不太合適。這時飽和水汽壓就應該考慮用平冰面飽和水汽壓。

3 露點溫度

濕度的另外一個常用表示方法是露點溫度，在空氣中水汽含量不變和氣壓一定的條件下，通過降低溫度而使空氣達到飽和時的溫度稱露點溫度，簡稱露點，用Td來表示，單位為℃。從形式看，露點是表示冷熱程度的物理量，但實質上是表示濕度狀況的一個特征量。露點的高低與空氣中水汽含量多少有關。空氣中水汽含量多，露點就高；空氣中水汽含量少，露點就低。所以，露點高低能直接反映空氣中水汽含量的多少。并且，露點溫度與當時氣溫結合起來還能表示空氣的潮濕程度，露點與當時實際氣溫之差越小，說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，露點溫度和氣溫相等。露點溫度可以用飽和水汽壓公式直接導出，世界氣象組織《氣象儀器和觀測方法指南（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，在低溫結冰狀態下，就應采用純水冰面飽和水汽壓，此時Td更準確地應該叫霜點溫度。

4 結語

各空氣濕度參量的計算均與飽和水汽壓相關，所以，飽和水汽壓的計算顯得尤為重要。飽和水汽壓的大小除與溫度有關外，還與蒸發面的性質、形狀有關。自然界中蒸發面很多，均具有不同的性質（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，由于蒸發面的性質和形狀不同，飽和水汽壓值也是不同的。特別是當溫度接近0 ℃時，蒸發面是水面還是冰面，兩者的飽和水汽壓相差較大，特別是溫度越低時，兩者的相差就越大。因此，單純考慮純水平面飽和水汽壓來進行換算不太合適。必要的時候應考慮飽和水汽壓是相對于純水平面還是純水冰面，特別是在極端氣溫越來越頻繁的今天，這個更是不容忽略的問題。