濕度

濕度（Humidity）一般在氣象學中指的是空氣溼度，它是空氣中水蒸氣的含量。與蒸汽乾燥度（也稱蒸汽的品質，dryness fraction of steam, quality of steam）不同，空氣中液態或固態的水不算在溼度中。

不含水蒸氣的空氣被稱為乾空氣。由於大氣中的水蒸氣可以占空氣體積的0%到4%，一般在列出空氣中各種氣體的成分的時候是指這些成分在乾空氣中所占的成分。

## 綜述

空氣的溫度愈高，它容納水蒸氣的能力就愈高。雖然水蒸氣可以與空氣中的部分成分（如懸浮灰塵中的鹽）進行化學反應，或者被多孔的粒子吸收，但這些過程或反應所占的比例非常小，相反的大多數水蒸氣可以溶解在空氣中。乾空氣一般可以看作一種理想氣體，但隨著其中水蒸氣成分的增高它的理想性越來越低。這時只有使用范德瓦耳斯方程才能描寫它的性能。

理論上「空氣中的水蒸氣飽和」這個說法是不正確的，因為空氣中的水蒸氣的飽和度與空氣的成分本身無關，而只與水蒸氣的溫度有關。在同一溫度下，真空中的水蒸氣的飽和度與空氣中的水蒸氣的飽和度實際上是一樣高的。但出於簡化一般人們（甚至在科學界）使用「空氣中溶解的水蒸氣」或「空氣中的水蒸氣飽和」這樣的詞句。

假如飽和的空氣的溫度降低到露點以下和空氣中有凝結核（如霧劑）的話（在自然界一般總有凝結核存在），空氣中的水蒸氣就會凝結。雲、窗戶玻璃和其他冷的表面上凝結成的水、露和霧、人在冷空氣中哈出的氣等等許多現象就是這樣形成的。偶爾（或在實驗室中人工造成的）水蒸氣可以在露點以下也不凝結。這個現象叫做過飽和。

空氣中水蒸氣的溶解量隨溫度不同而變化。一立方公尺空氣可以在攝氏10度下溶解9.41公克的水，在攝氏30度下溶解30.38公克的水。

## 測量

要表達空氣溼度的高低，有多種可以利用的度量值，包括蒸汽壓、絕對溼度、相對溼度、比溼、露點等。溼度計亦可以用來測量溼度。

### 絕對溼度

「絕對溼度」指一定體積的空氣中含有的水蒸氣的質量，一般其單位是公克／立方公尺。絕對溼度的最大限度是飽和狀態下的最高溼度。

下面是計算絕對溼度的公式：

$$\rho_w := \frac{e}{R_w \cdot T } = \frac{m}{V}$$

其中的符號分別是：

e – 蒸汽壓，單位是帕斯卡（Pa）

$R_w$ –水的氣體常數=461.52J/（kg K）

T – 溫度，單位是開爾文（K）

m –在空氣中溶解的水的質量，單位是千克（kg）

V –空氣的體積，單位是立方公尺（m3）。

### 相對溼度（RH）

「相對溼度」（RH）是絕對溼度與最高溼度之間的比，它的值顯示水蒸氣的飽和度有多高。相對溼度為100%的空氣是飽和的空氣。相對溼度是50%的空氣含有達到同溫度的空氣的飽和點的一半的水蒸氣。相對溼度超過100%的空氣中的水蒸氣一般凝結出來。隨著溫度的增高，空氣中可以含的水就增多。也就是說，在同樣多的水蒸氣的情況下，溫度降低，相對溼度就會升高；溫度升高，相對溼度就會降低。因此在提供相對溼度的同時也必須提供溫度的數據。透過最高溼度和溫度也可以計算出露點。

以下是計算相對溼度的公式：

$$\varphi := \frac {\rho_w}{\rho_{w, max}} \cdot 100\ \% = \frac {e}{E} \cdot 100\ \% = \frac {s}{S} \cdot 100\ \%$$

其中的符號分別是：

$\rho_w$–絕對溼度，單位是公克／立方公尺

$\rho_{w, max}$–最高溼度，單位是公克／立方公尺

e–蒸汽壓，單位是帕斯卡

E–飽和蒸汽壓，單位是帕斯卡

s–比溼，單位是公克／公斤

S–最高比溼，單位是公克／公斤

### 比溼

比溼是汽化在空氣中的水的質量與溼空氣的質量之間的比。假如沒有凝結或蒸發的現象發生的話，一個封閉的空氣在不同的高度下的比溼是相同的。在飽和狀態下的最高比溼的符號是S。

以下是計算比溼s的公式：

$$s = \frac{m_{\mathrm{water}}}{m_{\mathrm{air\ total}}} = \frac{m_{\mathrm{water}}}{m_{\mathrm{air\ dry}} + m_{\mathrm{water}}} = \frac{\frac{m_{\mathrm{water}}}{V_{\mathrm{total}}}}{\frac{m_{\mathrm{air\ total}}}{V_{\mathrm{total}}} + \frac{m_{\mathrm{Water}}}{V_{\mathrm{total}}}} = \frac{\rho_{\mathrm{Water}}}{\rho_{\mathrm{air\ dry}} + \rho_{\mathrm{water}}} = \frac{\rho_{\mathrm{water}}}{\rho_{\mathrm{air\ total}}}$$

$$s = \frac{\rho_{\mathrm{Water}}}{\rho_{\mathrm{air\ dry}} + \rho_{\mathrm{Water}}} = \frac{\frac{e}{R_w \cdot T}}{\frac{p - e}{R_L \cdot T} + \frac{e}{R_w \cdot T}} = \frac{ e \cdot M_{\mathrm{Water}} }{ {(p - e)} \cdot {M_{\mathrm{air\ dry}}} + {e} \cdot {M_{\mathrm{Water}}} } = \frac{\frac{M_{\mathrm{Water}}}{M_{\mathrm{air\ dry}}} \cdot e}{p - \left(1 - \frac{M_{\mathrm{Water}}}{M_{\mathrm{air\ dry}}}\right) \cdot e} \approx \frac{0{,}622 \cdot e}{p - 0{,}378 \cdot e} \approx 0{,}622 \cdot \frac{e}{p}$$

其中使用的符號為：

$\rho_{\mathrm{Water}} = \frac{e}{R_w \cdot T}$和$R_w = \frac{R}{M_{\mathrm{Water}}}$

$\rho_{\mathrm{air\ dry}} = \frac{p - e}{R_L \cdot T}$和$R_L = \frac{R}{M_{\mathrm{air\ dry}}}$

相似的最高比溼為：

$$S := \frac{m_{\mathrm{water\ saturate}}}{m_{\mathrm{air\ total}}} = \frac{\rho_{\mathrm{Water\ saturate}}}{\rho_{\mathrm{air\ total}}} \approx \frac{0{,}622 \cdot E}{p - 0{,}378 \cdot E}$$

其中使用的符號分別為：

$m_x$ –質量，單位為公克

$\rho_x$ –密度，單位為公克／立方公尺

$V_{\mathrm{total}}$ –溼空氣的總體積，單位為立方公尺

$R_w$ –水的氣體常數，單位為焦耳／（公斤·開爾文）

$R_L$ –干空氣的氣體常數，單位為焦耳／（公斤·開爾文）

T–溫度，開爾文

$M_{\mathrm{Water}}$–水的摩爾質量=18.01528公克／摩爾

$M_{\mathrm{air\ dry}}$–干空氣的摩爾質量=28.9634公克／摩爾

e–蒸汽壓，單位是帕斯卡

p–氣壓，單位為帕斯卡

E–飽和蒸汽壓，單位為帕斯卡

## 意義和用途

空氣溼度在許多方面有重要的用途，在大氣科學、氣象學和氣候學中它主要是理論中的一個重要值，而在實際應用上的作用比較小。

### 氣象學和水文學

在氣象學和水文學中溼度是決定蒸發和沸騰的重要數據。它對不同的氣候區的產生起決定性的作用。大氣中的水蒸氣在水循環過程中也是必不可少的。通過水蒸氣水可以很快地在地球表面運動。水在大氣中形成降水、雲和其它現象，它們決定了地球的氣象和氣候。

而在天氣預報中，更常用到相對溼度。它反映了降雨、有霧的可能性（下雨的時候，空氣溼度是非常高的）。在炎熱的天氣之下，高的相對溼度會讓人類（和其他動物）感到更熱，因為這妨礙了汗水的揮發。人類可以依此制定出酷熱指數。

### 醫學

在醫學上空氣溼度與呼吸之間的關係非常緊密。在一定的溼度下氧氣比較容易通過肺泡進入血液。濕度45%~55%是讓人感覺舒適的，在50%的溼度下感覺最舒適。過熱而不通風的房間裡的相對溼度一般比較低，這可能對皮膚不良和對黏膜有刺激作用。溼度過高影響人調節體溫的排汗功能，人會感到悶熱。總的來說人在高溫但低溼度的情況下（如沙漠）比在溫度不太高但溼度很高的情況下（如雨林）的感覺要好。在通過呼吸進行麻醉時麻醉氣體的溼度是非常關鍵的。醫學上使用的麻醉氣體一般是在無水的情況下存放的，假如在使用時不添加溼度的話會在人的肺中導致蒸發和失水。

### 生物學

在生物學中，尤其是在生態學中空氣溼度是一個非常關鍵的量。它決定一個生態系統的組成。在植物的葉面上氣孔的開關和植物的呼吸。有些動物比如蝸牛隻有在它們的皮膚有一定溼度的情況下才能吸收氧氣。

### 儲藏和生產

在存放水果的倉庫裡溼度決定水果的成熟。在存放金屬的倉庫裡溼度過高可能導致腐蝕。其他許多貨物比如化學藥劑、香菸、酒、香腸、木、藝術品、積體電路等等也必須在一定的溼度或在溼度為零的條件下存放。因此在許多倉庫、博物館、圖書館、電腦中心和一定的工廠（如微電子工業）中都有空調裝置來控制室內的溼度。

### 農業和林業

濕度過低可以在農業上導致土壤和植物失水和減產。

在林業和林木工業中溼度也是一個非常關鍵的量。在鋸木廠人們往往向堆積在那裡的木頭澆水。木頭本身有它自己的溼度，在空氣中它的溼度逐漸與空氣的周圍溼度靠近。這個木頭內的溼度的變化會導致木頭的變形，這對林木工業來說是非常關鍵的。

一般木頭在存放時要讓空氣可以直接與它的各個方向接觸，這樣來避免木頭變形或發霉。在鋪地板時最好先讓地板的木頭在房屋內擱置一兩天，來讓它與房屋內的溼度一樣，否則的話地板的木頭可能會在鋪設後伸張或收縮。

### 建築

在建築物理中露點是一個非常重要的量。假如一座建築內的溫度不一樣的話，那麼從高溫部分流入低溫部分的潮溼的空氣中的水就可能凝結。在這些地方可能會發霉，在建築設計時必須考慮到這樣的現象。此外相對溼度是衡量建築室內熱環境的一個重要指標，建築物理把在人體的主觀熱感覺處於中性時，風速不大於0.15公尺／秒，相對溼度為50%定為最舒適的熱環境，這也是室內熱環境設計的一個基準。

## 參考文獻

- Häckel H.（1999）: Meteorologie. 4. Aufl. Ulmer Verlag, Stuttgart; UTB 1338; 448 S. ISBN 3-8252-1338-2
- Zmarsly E., Kuttler W., Pethe H.（2002）: Meteorologisch-klimatologisches Grundwissen. Eine Einführung mit Übungen, Aufgaben und Lösungen. Ulmer Verlag, Stuttgart. S ISBN 3-8252-2281-0
- Hupfer P., Kuttler W.（1998）: Witterung und Klima. Teubner Verlag, Stuttgart/Leipzig. ISBN 3-443-07123-6
- Weischet W.（2002）: Einführung in die Allgemeine Klimatologie. Borntraeger . ISBN 3-443-07123-6

## 外部連結

- 中國全國20厘米土壤相對濕度分布圖 - 國家氣候中心
- 大氣比濕分布律 - 張學文，奇蹟文庫
- 濕度的測量 -向衛國
- 相對濕度查算表