空气湿度

一、空气湿度的物理量

空气湿度是表示大气中水汽含量多少或潮湿程度的物理量。因应用的目的不同,表示空气湿度的物理量也不同。常用的有水汽压、比湿、相对湿度、饱和差和露点温度等。

(一) 水汽压(e)   空气中水汽所产生的压强,称为水汽压。空气中水汽含量愈多,水汽压愈大;反之,水汽压愈小。水汽压的单位与大气压单位相同,用百帕(hPa)或毫米汞高(mmHg)表示。

空气中水汽含量达到饱和状态时的水汽压,称为饱和水汽压(E)。饱和水汽压是温度的函数,它随着温度的升高而迅速增大(表4-1)。

表4-1  不同温度下的饱和水汽压

表4-1中饱和水汽压与温度的关系,是下式计算的结果:

            _7.5te

          _————

          _237.3+te

E=Eo10               (4-7)

4-7式称为马格奴斯(Magnus)半经验公式。Eo=6.1hPa,为0℃时的饱和水汽压;t_e为蒸发面温度(℃)。显然,饱和水汽压是以指数律随温度升高而迅速增大。

饱和水汽压除受温度影响外,还与物态、蒸发面的形状和液体浓度等因子有关。一般来说,同温度下,冰面的饱和水汽压比水面的小; 凹面的饱和水汽压比平面的小;平面的又比凸面的小;纯水的饱和水汽压比溶液的大,随浓度增加,饱和水汽压减小。

    (二) 比湿(q)   单位质量湿空气中的水汽质量与湿空气质量之比,称为比湿。用g.g^-1或g.kg^-1表示其单位。表达式为:

                   ma

               q=-------

                  md+ma

式中ma、md分别为水汽质量和干空气质量。因为水汽和干空气混在一起,因此二者容积相等,可用密度表示如下:

                    ρa

               q=--------

                  ρd+ρa

ρa、ρd为水汽和干空气的密度。由气体状态方程可写成下式:

                     e

                   -----

                    RaT

            q=————————

                P-e      e

               ----- + ——

                RdT     RaT

式中P为湿空气气压，P-e为干空气压力，水汽的气体常数Ra=461J.k^-1.kg^-1,干空气气体常数Rd=287 J.k^-1.kg^-1,将各常数代入上式,可得:

                          e

              q=0.622————— (g.g^-1)             (4-8)

                       P-0.378e

因为0.378e与P相比,可以忽略不计,所以可写成:

                       e             e

              q=0.622——(g.g^-1)=622——(g.kg^-1)     (4-9)

                       P             P

比湿与水汽压特性不同。当湿空气上升膨胀或下降收缩过程中,空气体积发生变化,水汽压相应也改变。但比湿不同,只要没有凝结现象发生,比湿就不变,具有保守性。这一特性,在气象学上常用来判断气团的干湿性质和有关温度的计算。

(三) 相对湿度(r)  空气中实际水汽压与同温度下饱和水汽压的百分比,称为相对湿度。通常用下式表示:

                  e

              r=——×100%                        (4-10)

                  E

相对湿度的大小,表示在当时温度下空气中水汽含量达到饱和的相对比值。相对湿度与气温和水汽含量有关,当气温不变时,水汽愈多,相对湿度愈大。反之,水汽愈少,相对湿度愈小。当空气中水汽含量不变时,相对湿度随气温降低而增大,随气温升高而减小。

一个地方空气的潮湿程度,决定于当地水汽含量和气温高低。一般而言,气温变化比水汽压的变化既迅速又经常。因此气温是主导作用。夜间多露霜,天气转冷易产生云雾等都是由于温度降低,相对湿度增大的原因。相对湿度在农业上被广泛应用。

(四) 饱和差(d)   同温度下的饱和水汽压与实际水汽压之差,称为饱和差。单位为百帕(hPa)或毫米汞高(mmHg)。表达式为:

            d=E-e                      (4-11)

饱和差说明在一定的温度下空气中水汽含量距离饱和时的差值。饱和差的大小,决定于温度和水汽含量,温度为主导因子。当空气中水汽含量不变时,饱和差随温度升高而增大;反之则减小。饱和差在研究水分蒸发或植物蒸腾中广泛被应用。

   (五) 露点温度(t_d)  含有水汽的湿空气,在不改变气压和水汽含量的情况下,降低温度使空气达到饱和状态时的温度,称为露点温度,简称露点,单位为℃。从单位的形式上看,是冷热程度的特征量,实质上是表示空气湿度的物理量。在定压和水汽无相变的情况下,水汽含量愈多,露点温度愈高;反之则露点温度愈低。

    上述各空气湿度物理量是可以相互换算的。当空气的实际温度(t)下降至露点时(t=t_d),水汽压等于饱和水汽压(e=E),相对湿度达最大(r=100%),饱和差最小(d=0)。当气温高于露点时(t>t_d),空气处于未饱和状态(e<E, r<100%)而且温并(t>>t_d)愈大,空气愈干燥。当气温低于露点时(t<t_d),表示空气已过饱和状态了(E>e,r>100%),半有多余水汽凝结。由此可见,实际温度与露点的差值(t-t_d,称为露点差)大小能反映空气干湿程度。在通常情况下,露点差是大于O的。