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零下溫度時(shí)的相對濕度

日期：2024-10-22 18:29
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摘要：
在任何給定溫度時(shí)氣體的相對濕度定義為存在于氣體中的水汽量對在那相同溫度時(shí)*大可能水汽量的百分比。在高于冰點(diǎn)的溫度時(shí)，水只能以兩種熱力穩(wěn)定狀態(tài)之一。它能以氣體形勢，稱為水汽，存在，或者它能凝結(jié)成液體，往往成為露。又在零下的溫度時(shí)，可以預(yù)期水或以氣體，依然稱為水汽，存在，或它能凝結(jié)成固體的形成，往往稱為霜或冰。但與直觀相反， 在零下溫度時(shí)的水也能以第三種熱力狀態(tài)---液體存在。 這零下的液體狀態(tài)是可達(dá)到亞穩(wěn)定狀態(tài)， 它具有的能量水平在氣體及固體的能量水平之間。 在此亞穩(wěn)定狀態(tài)的零下水被說成是過冷的。常常把它稱為過冷水、過冷露或過冷液體，它們?nèi)竿粬|西，過冷狀態(tài)的水是一液體，但是在零下的（冰點(diǎn)以下）溫度。在 0 到 40°C 的溫度范圍內(nèi)，過冷現(xiàn)象是十分普遍的。在這些零下的溫度時(shí)，都存在過冷的可能，可按稱為標(biāo)準(zhǔn)及世界氣象組織（WMO）兩種有差別的方法之一來計(jì)算相對濕度（RH）標(biāo)準(zhǔn) RH：數(shù)學(xué)上可把計(jì)算相對濕度的公式表示成
%RH=e/es*100
（1）式中 e 是氣體的水汽含量（水汽壓力）es 是在那相同溫度時(shí)氣體的*大可能水汽含量（飽和汽壓力）如上面公式所表示，為了確定 RH 僅需知道兩件事（即 e 及 es ）飽和汽壓力 es 是在氣體的溫度時(shí)*大可能水汽含量的表示，是一熟知的量。通過測量氣體的溫度， 然后用規(guī)定的飽和汽壓力公式計(jì)算相應(yīng)的飽和氣壓， 這樣來確定飽和汽壓 （力）這些公式把汽壓表示成溫度的函數(shù)。 注意： 有一公式供計(jì)算冰點(diǎn)以上溫度時(shí)水范圍飽和汽壓用；另有一公式則供零下溫度時(shí)計(jì)算冰范圍飽和汽壓用。實(shí)際的水汽含量（或水汽壓力）往往通過測量來確定。一種通用的測量方法是激冷鏡面測濕法。通過由鏡面測濕法測量的霜點(diǎn)或露點(diǎn)用如上相同的飽和和汽壓公式求出實(shí)際的汽壓。當(dāng)如此進(jìn)行時(shí)，對各露點(diǎn)的溫度使用水范圍飽和汽壓計(jì)算用的公式，而對各霜點(diǎn)溫度則需用冰范圍飽和汽壓計(jì)算用的公式。注意：不管從激冷鏡面（露點(diǎn)或霜點(diǎn)）得到哪一測量 ，相應(yīng)的汽壓將是相同的。
現(xiàn)在對于標(biāo)準(zhǔn)的 RH ，在高于冰點(diǎn)溫度時(shí)在水范圍內(nèi)計(jì)算公式（1）的分母（*大可能水汽含量）而在所有低于冰點(diǎn)的溫度時(shí)則在冰范圍內(nèi)。在雙一溫度發(fā)生器里，在那里飽和器正在凝結(jié)/升華 向/從冰，這是*大可能水氣含量的恰當(dāng)表示。
同樣當(dāng)鏡面測量露點(diǎn)時(shí)在水范圍內(nèi)計(jì)算分子 （實(shí)際水汽含量） 而對所有霜點(diǎn)測量則在冰范圍內(nèi)。這樣標(biāo)準(zhǔn) RH 的值在較暖的及零下的溫度都可達(dá)到 100%。標(biāo)準(zhǔn) RH 假設(shè)在零下的溫度時(shí)*大可能水汽含量是由于在冰范圍的飽和。
WMO RH：WMO RH 的各項(xiàng)計(jì)算及下面的討論僅應(yīng)用于低于冰點(diǎn)的溫度。在大氣中 ，
由于所謂過冷現(xiàn)象在低于冰點(diǎn)溫度時(shí)把水汽冷凝成液體（而不是冰）事實(shí)上，大多數(shù)激冷鏡面在 0 到 20°C 間的溫度顯示此過冷狀態(tài)。測量是不是表示過冷與飽和或另外把水汽加到氣體內(nèi)所用的任何方式或把水汽從氣體除去的任何方法都完全無關(guān)。 在鏡面上過冷的凝結(jié) （露點(diǎn)測量）是完全允許的亞穩(wěn)定狀態(tài)，正如在鏡面上凝結(jié)成冰（霜點(diǎn)測量）理應(yīng)是完全允許的穩(wěn)定狀態(tài)。不過，過冷的露將在低于冰的溫度的溫度發(fā)生，并導(dǎo)致相同的水汽含量的測量 。
因?yàn)檫^冷現(xiàn)象的確在云及上層大氣中發(fā)生， 約在半個(gè)世紀(jì)前便由世界氣象組織 （WMO ）決定用在水范圍內(nèi)而不是冰計(jì)算分母（或*大可能水汽含量）來計(jì)算 RH 而與溫度無關(guān)。
這導(dǎo)致在任何給定溫度時(shí)的*大可能水汽含量的值高于在相同溫度時(shí)在冰范圍內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。在此決定背后的基礎(chǔ)似乎是要避免在大氣處于過冷狀態(tài)時(shí) RH 的值偶爾可能超過100%。在此狀態(tài)，把對過冷的水飽和的大氣認(rèn)為對冰過冷飽和的。用 WMO 法計(jì)算的 100%RH 實(shí)際將大于 100%，如果按標(biāo)準(zhǔn) RH 計(jì)算的話。同樣重要的是要注意，用此兩種方法計(jì)算的實(shí)際水汽含量是等同的。 只有*大可能水汽含量不同， 它視大氣是不是在過冷的亞穩(wěn)定狀態(tài)而定。
標(biāo)準(zhǔn)與 WMO 的兩種計(jì)算比較：已知相同的實(shí)際水汽含量（e）及相同的溫度，標(biāo)準(zhǔn)及WMO 兩種 RH 計(jì)算方法將產(chǎn)生不同的數(shù)值結(jié)果。下面兩表說明在各種溫度時(shí)的差異，首先在 100% RH WMO 時(shí)，然后在 100% RH 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)：
又，WMO 及標(biāo)準(zhǔn)兩種方法的**差別是對水還是對冰的計(jì)算 RH 公式的分母。在標(biāo)準(zhǔn)方法中，假設(shè)超過*大可能的水汽將以冰的形式凝結(jié)出來，而在 WMO 的方法中，假設(shè)能夠把水汽對冰的飽和，而且超過對過冷的水*大可能的任何水汽將以過冷的露的形式凝結(jié)出來 。
還要注意，在 100% RH WM0 的情況下，有顯著的對冰過飽和量。如果冰的確在某處開始形成，其作用將使那區(qū)域發(fā)生顯著的結(jié)冰數(shù)量，因?yàn)闅怏w為圖把它的實(shí)際水汽含量減至100% RH 標(biāo)準(zhǔn)。
就取上表 -40°C，100% RH WMO 這情況。因?yàn)?RH 標(biāo)準(zhǔn)是 148%，如果結(jié)冰的確在某處開始發(fā)生，為了使實(shí)際水汽含量朝 67% RH WMO 或 100% RH 標(biāo)準(zhǔn)下降，過多的 48%將力圖凝結(jié)成外加的冰構(gòu)造。
濕度的生成：當(dāng)由充有冰的飽和器或凝結(jié)成冰的飽和器生成 RH 時(shí)，如果氣體在離開飽和器后不再進(jìn)行冷卻，則在飽和溫度時(shí)可得到的*大可能水汽含量是對冰的。并且，在用此法飽和到 100% RH 的氣流中在任何它的溫度即使稍暖于飽和溫度（當(dāng)把氣體飽和到 100%RH 時(shí)也等于所測的霜點(diǎn)溫度）的物體上凝結(jié)不應(yīng)發(fā)生。
下面的圖說明*大可得到的 RH ，假設(shè)用冰飽和器應(yīng)用雙一溫度技術(shù)生成濕度，并不再冷卻氣體。
用冰飽和器可達(dá)到的*大 RH如果能以這樣的方式，即可對過冷的水（對冰過飽和）提供完全的飽和，不使冰或霜形形成，生成濕度，于是下圖說明可達(dá)到的*大 RH。注意：任何冰的形成將力圖把*大限制到100% RH 標(biāo)準(zhǔn)的等值。
在過冷的情況下可達(dá)到的*大 RH
注意：在上面各個(gè)圖中 RH 標(biāo)準(zhǔn)及 RH WMO 都表示在給定溫度時(shí)氣體中的**相同水汽含量。
兩個(gè) RH 值彼此不同值的**原因是方程的分母（*大可能水汽含量）不同。

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