氣象中的濕度是如何測出來的

王奉安

在天氣預報中，除了最高氣溫和最低氣溫，還經常會出現“濕度”這個詞。濕度與我們的生產、生活有什么關系？它是如何被測定出來的呢？

濕度與相對濕度

所謂濕度，在氣象學中一般指的是空氣濕度，即空氣中水蒸氣的含量，用來表征大氣的干燥程度。空氣中液態或固態的水不算在濕度中。不含水蒸氣的空氣被稱為干空氣。

在一定的溫度下，在一定體積的空氣里含有的水汽越少，空氣越干燥；水汽越多，則空氣越潮濕。我們通常用絕對濕度、相對濕度、混合比、飽和差以及露點等物理量來表示空氣濕度。在天氣預報中，更常用到相對濕度這個概念，它反映了降雨或有霧的可能性。在炎熱的天氣之下，高的相對濕度會讓人類（和其他動物）感到更熱，因為這妨礙了汗水的蒸發，人類因而制定出了酷熱指數。在醫學上，空氣的濕度與呼吸之間的關系非常緊密：在一定的濕度下，氧氣比較容易通過肺泡進入血液。

人體感覺舒適的相對濕度在70%以下；在相對濕度達到45%～55%時，感覺最舒適。濕度過高，影響人調節體溫的排汗功能，人會感到悶熱。

最早的測濕儀器

了解了濕度的概念，那么，濕度又是如何測量出來的呢？

我國最早的測濕儀器出現于西漢時期，名為天平式濕度計，它比國外的測濕儀器早出現1600多年。這種濕度計的構造很簡單：用一根粗細均勻的木桿懸掛在立柱的中點處，兩端分別掛上吸濕能力不同的物品，它的樣子好像一架天平。

西漢淮南王劉安主持撰寫的《淮南子》一書曾對天平式濕度計有過記載，描述了當時人們用羽毛、木炭測濕，以預測降雨，“懸羽與炭而知燥濕之氣”。書中還指出了其中的測濕原理：因炭吸濕性強，也易變干燥，極易隨空氣濕度改變而產生質量變化，“燥，故炭輕；濕，故炭重”。這里用科學語言可以描述為，羽毛或炭的質量受溫度影響較小，基本保持不變。把羽毛或炭懸掛在天平的兩端，使之處于平衡狀態，當濕度發生變化時，炭隨濕度改變而產生質量變化，而羽毛不發生明顯變化，天平因此失去平衡。經過多次測量，由天平傾斜角度的大小可以大體知道濕度情況。

三國時期的孟康曾詳細記載過天平式濕度計的結構：把鐵和炭分別掛在天平的兩端，讓天平平衡。冬天時，空氣比較干燥，炭端上翹，鐵端低垂；夏天時，空氣比較潮濕，炭端低垂，鐵端上翹。

這兩處關于天平式濕度計的記載并非孤例，歷代古書中類似的記載有不少，天平式濕度計另一端掛的東西也不盡相同，有用鐵和炭的，也有用羽毛和炭的，還有用土和炭的，等等，反正都離不開炭。

由于這種天平式濕度計具有簡便、易制作的優點，且靈敏度尚可，故而如今在一些農村地區仍有人使用。不過，這種濕度計也存在體積太大、精確度不高等缺陷。

到了明清時期，出現了一種鹿筋式測濕計：以2尺長的鹿腸線夾在架子頂端，下面設有指針圓盤，空氣的濕度變化會導致圓盤轉動，可以精確得出濕度。西方學者認為，這種鹿筋式濕度計就是現代濕度計的雛形。

在歐洲，到了16世紀中葉，才有人用鳥獸的腸子制成弦線，或用野雀麥芒的長度變化來測知大氣的濕度。這種濕度計大約于1670年傳入我國，在《靈臺儀象志》一書中有詳細介紹。書中說它的原理是：物體吸入“燥氣”會收縮，吸入“濕氣”會膨脹。萬物中以鳥獸的筋皮對燥濕氣的效應最為明顯，所以人們用筋弦來制作儀器，如前面所提到的鹿筋式濕度計。

清初的制器工藝家黃履莊還發明了一種“驗燥濕器”，其“內有針，能左右旋，燥則左旋，濕則右旋，毫發不爽，并可預證陰晴”。可見，這種儀器是十分靈敏的。

古人測濕有妙招

歸根結底，濕度計的發明源于古人對晴雨規律的觀察。唐代黃子發專門寫了一本《相雨書》，記載勞動人民預知晴雨的可貴知識。此外，民間流傳下來許多有關預知晴雨的諺語和土辦法，其中有不少都是科學經驗的結晶。

唐代有“壁上自然生水者，天將大雨”和“石上津潤出液，將雨數日”等記載。這是符合氣象原理的：下雨之前，空氣中的水汽含量必然很大，因此容易在壁上、石上等處凝結成水滴，以致“生水”“出液”。這一類諺語，全國各地都在流傳。根據搜集到的資料，僅東北地區，像“水缸穿裙，大雨傾盆”“食鹽化水，天將大水”之類的諺語，就有許多。

明代科學家徐光啟在《農政全書》 里引用了一條農諺：“檐頭插柳青，農人休望晴；檐頭插柳焦，農人好作嬌。”其中的“作嬌”是指釀酒。這句農諺翻譯為白話文是說：折下來插在檐頭的柳枝如果保持常青，說明空氣潮濕，柳葉中的水分不易蒸發，所以天氣不得放晴；若柳葉枯黃，那是因為空氣干燥，柳葉中的水分蒸發得快，天氣必將放晴，氣溫回升，正好可以釀酒了。

元代以來，民間還有一種“稱水”的方法，可以用來預知晴雨。這種方法是在每天晚上盛滿一瓶水，翌日早晨稱一下，如果分量還是很重，說明水分蒸發較慢，那必定是因為空氣潮濕，天氣容易下雨；如果水瓶的分量比較輕，說明水分蒸發得比較快，表明空氣非常干燥，則天氣不容易下雨。這種方法流傳甚廣，明代著名醫藥學家李時珍在《本草綱目》一書中對此也有記載。

人們發現，影響晴雨的最重要因素是大氣濕度，這一點在西漢時期的《淮南子》一書中有明確記載，即“濕易雨”。所以，古人很注意尋求受大氣濕度影響的現象，戰國古琴便是濕度計的雛形。早在戰國時期，人們就知道“風雨之變可以音律知之”。后來的《淮南子》中也這么說。對此，東漢科學家王充在其所著的《論衡》中指出：“琴弦緩”是天雨的征兆。這是一條很正確的經驗。因為將要下雨時，空氣濕度顯著增大，拉緊的琴弦吸收了水分，就會變得長而松弛，所以其音調也就變低了。琴弦的長度隨大氣濕度的變化是很微小的，不易覺察，但因此引起的音調的變化十分明顯。故而，通過音調的變化去預報天氣的晴雨是相當靈敏的，也是十分巧妙的，其中已孕育著懸弦式濕度計的原理。

所謂懸弦式濕度計，即根據某種“懸弦”的長度隨濕度而變化的原理制成的濕度計。如此說來，戰國時代的那張古琴就起到了這種濕度計的作用。

干濕球測濕法與“阿斯曼”

在遼寧省營口百年氣象陳列館中，有一支1939年日本產的通風干濕表。這種通風干濕表最早是由德國人R.阿斯曼于1887年制造的，因而統稱為“阿斯曼”。“阿斯曼”適合于野外觀測時測量空氣的溫度和濕度。它內裝兩支一樣的溫度表，溫度表球部處于雙層防輻射套管的中心，套管外表面有反射率良好的電鍍鉻層。套管內壁一面涂黑，以便吸收罩內層的輻射，使其不致反射至傳感器上。儀器上部是一個通風器，它以發條或微型電動機為動力，通風器扇葉旋轉時會將空氣從溫度表球部所處的套管口吸入，經叉管和主管流至扇葉，然后排出儀器之外。

其實，“阿斯曼”與百葉箱里的干濕球溫度表的測濕原理是一樣的。我們了解了干濕球溫度表的測濕原理，也就明白了“阿斯曼”的測濕原理。

如果有機會去氣象觀測場，往往能看到氣象百葉箱。百葉箱里垂直掛著兩支構造完全相同的溫度表：東邊的一支球部暴露在空氣中，用來測定氣溫，叫“干球溫度表”；西邊的一支，球部纏上用蒸餾水濕潤的紗布，被稱為“濕球溫度表”。這兩支溫度表合起來可以測定空氣相對濕度。其工作原理是：濕球紗布中的水分不斷向周圍空氣中蒸發并帶走熱量，使該溫度表附近的溫度下降；且水分蒸發速率與周圍空氣的含水量有關—空氣相對濕度越低，水分蒸發越快，導致濕球溫度越低。可見，空氣濕度與干濕球溫差之間存在某種函數關系。干濕球溫度表就是利用這一關系，來測定空氣的相對濕度。

測定空氣濕度的準確度與濕球溫度示度是否準確有很大關系。要使濕球溫度示度準確，濕球表面就要有良好的蒸發和熱量的交換。通常選用吸水性良好的紗布包住濕球溫度計，并注意保持紗布的清潔，而且要用純凈的蒸餾水濕潤紗布。

在氣象部門，濕球溫度表的球部統一使用配發的紗布按照規定的方式包扎。紗布一般每周更換一次，遇有風沙天氣紗布易臟時可以隨時更換。

天氣轉冷后，有的濕球紗布會結冰。這時候，要把水杯從百葉箱中拿回室內，以防凍裂。同時，將濕球上的紗布在球部以下兩三厘米處剪斷，直到天氣變暖、濕球不再結冰時再恢復紗布原本的長度。濕球結冰期間，不能用水杯供水，每次觀測前必須潤濕濕球紗布，這一步驟叫“融冰”。融冰的目的是使濕球上的紗布能有足夠的水分或冰衣，保持濕球表面蒸發狀況良好，以獲得正確的濕球示度。需要注意的是，當氣溫（干球溫度表的示度）在-10℃以下時，要停止觀測濕球溫度，改用毛發濕度表或毛發濕度計測定濕度。

百葉箱里的干濕球溫度表測出的溫濕度固然準確，可如果我們想要到野外農田或者在大棚里觀測氣象要素，百葉箱是帶不走的。在這種情況下，“阿斯曼”可就大顯身手了。相對百葉箱，“阿斯曼”小巧玲瓏，攜帶方便，直到今天，人們依然在使用。

從人發到傳感器

除了前面介紹的這些濕度測量儀器，人的毛發在氣象觀測上也大有用武之地。

人的毛發經脫脂處理后，表面貫穿著許多微孔，這些微孔吸附了周圍環境中的水汽，在微孔中形成彎月面并產生表面張力。當空氣中的水汽達到飽和時，彎月面表面張力達到最大，毛發伸長到最大位置；隨著空氣中水汽的蒸發，相對濕度降低，一部分水從毛孔中蒸發，毛孔中的彎月面變成凹形，表面張力減少，毛發因而收縮。空氣濕度的變化引起微孔彈性壁的形變，最終形成毛發長度的變化。實驗表明，相對濕度由0變為100%時，毛發將伸長自身長度的2.5%。

人們于是利用毛發的這一特性，制成了毛發濕度表和毛發濕度計來測定空氣的相對濕度。1783年，瑞士人索絮爾根據纖維組織對于干濕的伸縮性發明了毛發濕度表，這是因為人的頭發也是纖維結構的。

毛發濕度表的感應部分是一根經過脫脂處理的人發。它被安裝在金屬架內，上端固定在金屬片上，下端固定在弧鉤上，弧鉤和指針固定在同一軸上，指針尖端可在刻度尺附近移動。在刻度尺上自左至右刻出相對濕度0～100%。當空氣相對濕度增大時，指針右移；當空氣相對濕度減小時，指針左移。需要說明的是，毛發濕度表的精確性不如干濕球溫度表，所以，氣象臺站只有在氣溫低于-10℃、不用干濕球溫度表測定相對濕度時，才使用毛發濕度表。

至于毛發濕度計，它是以一束毛發（40根左右）為濕度感應元件，利用其隨空氣相對濕度高低而改變其長度的特性，通過傳動放大機構，帶動記錄筆尖在轉動的自記鐘的記錄紙上畫出相對濕度的曲線。

據說，20世紀50年代，我國制作毛發濕度表和毛發濕度計所用的毛發主要從法國進口，因為法國女郎的毛發質量特別好。后來發現，我國女性的毛發質量也不遜色，所以就不需要從法國進口了。

隨著電子技術的發展，測濕技術有了飛速發展。目前，我國氣象臺站主要用溫濕度傳感器來測量溫度和濕度。

溫濕度傳感器被安裝在百葉箱內，各有兩支，其中一組用來觀測數據，另一組用來備份數據。溫度傳感器主要由鉑電阻制成，其阻值會隨著溫度的變化而變化，我們利用這種電阻與溫度的相關特性就能測量溫度。至于濕度傳感器，它主要利用薄膜聚合物材料介電特性變化的原理來測量相對濕度。

由于溫濕度傳感器具有體積小、性能穩定等特點，因而被廣泛應用在氣象臺站和生產、生活的各個領域。