零下溫度時的相對濕度
日期：2024-08-19 15:18
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摘要：
在任何給定溫度時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*大可能水汽量的百分比。在高于冰點的溫度時，水只能以兩種熱力穩定狀態之一。它能以氣體形勢，稱為水汽，存在，或者它能凝結成液體，往往成為露。又在零下的溫度時，可以預期水或以氣體，依然稱為水汽，存在，或它能凝結成固體的形成，往往稱為霜或冰。但與直觀相反， 在零下溫度時的水也能以第三種熱力狀態---液體存在。 這零下的液體狀態是可達到亞穩定狀態， 它具有的能量水平在氣體及固體的能量水平之間。 在此亞穩定狀態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，它們全指同一東西，過冷狀態的水是一液體，但是在零下的（冰點以下）溫度。在 0 到 40°C 的溫度范圍內，過冷現象是十分普遍的。在這些零下的溫度時，都存在過冷的可能，可按稱為標準及世界氣象組織（WMO）兩種有差別的方法之一來計算相對濕度（RH）標準 RH：數學上可把計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*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， 然后用規定的飽和汽壓力公式計算相應的飽和氣壓， 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。 注意： 有一公式供計算冰點以上溫度時水范圍飽和汽壓用；另有一公式則供零下溫度時計算冰范圍飽和汽壓用。實際的水汽含量（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或露點用如上相同的飽和和汽壓公式求出實際的汽壓。當如此進行時，對各露點的溫度使用水范圍飽和汽壓計算用的公式，而對各霜點溫度則需用冰范圍飽和汽壓計算用的公式。注意：不管從激冷鏡面（露點或霜點）得到哪一測量 ，相應的汽壓將是相同的。
現在對于標準的 RH ，在高于冰點溫度時在水范圍內計算公式（1）的分母（*大可能水汽含量）而在所有低于冰點的溫度時則在冰范圍內。在雙一溫度發生器里，在那里飽和器正在凝結/升華 向/從冰，這是*大可能水氣含量的恰當表示。
同樣當鏡面測量露點時在水范圍內計算分子 （實際水汽含量） 而對所有霜點測量則在冰范圍內。這樣標準 RH 的值在較暖的及零下的溫度都可達到 100%。標準 RH 假設在零下的溫度時*大可能水汽含量是由于在冰范圍的飽和。
WMO RH：WMO RH 的各項計算及下面的討論僅應用于低于冰點的溫度。在大氣中 ，
由于所謂過冷現象在低于冰點溫度時把水汽冷凝成液體（而不是冰）事實上，大多數激冷鏡面在 0 到 20°C 間的溫度顯示此過冷狀態。測量是不是表示過冷與飽和或另外把水汽加到氣體內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。 在鏡面上過冷的凝結 （露點測量）是完全允許的亞穩定狀態，正如在鏡面上凝結成冰（霜點測量）理應是完全允許的穩定狀態。不過，過冷的露將在低于冰的溫度的溫度發生，并導致相同的水汽含量的測量 。
因為過冷現象的確在云及上層大氣中發生， 約在半個世紀前便由世界氣象組織 （WMO ）決定用在水范圍內而不是冰計算分母（或*大可能水汽含量）來計算 RH 而與溫度無關。
這導致在任何給定溫度時的*大可能水汽含量的值高于在相同溫度時在冰范圍內進行相應的計算。在此決定背后的基礎似乎是要避免在大氣處于過冷狀態時 RH 的值偶爾可能超過100%。在此狀態，把對過冷的水飽和的大氣認為對冰過冷飽和的。用 WMO 法計算的 100%RH 實際將大于 100%，如果按標準 RH 計算的話。同樣重要的是要注意，用此兩種方法計算的實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定狀態而定。
標準與 WMO 的兩種計算比較：已知相同的實際水汽含量（e）及相同的溫度，標準及WMO 兩種 RH 計算方法將產生不同的數值結果。下面兩表說明在各種溫度時的差異，首先在 100% RH WMO 時，然后在 100% RH 標準時：
又，WMO 及標準兩種方法的**差別是對水還是對冰的計算 RH 公式的分母。在標準方法中，假設超過*大可能的水汽將以冰的形式凝結出來，而在 WMO 的方法中，假設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，其作用將使那區域發生顯著的結冰數量，因為氣體為圖把它的實際水汽含量減至100% RH 標準。
就取上表 -40°C，100% RH WMO 這情況。因為 RH 標準是 148%，如果結冰的確在某處開始發生，為了使實際水汽含量朝 67% RH WMO 或 100% RH 標準下降，過多的 48%將力圖凝結成外加的冰構造。
濕度的生成：當由充有冰的飽和器或凝結成冰的飽和器生成 RH 時，如果氣體在離開飽和器后不再進行冷卻，則在飽和溫度時可得到的*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（當把氣體飽和到 100%RH 時也等于所測的霜點溫度）的物體上凝結不應發生。
下面的圖說明*大可得到的 RH ，假設用冰飽和器應用雙一溫度技術生成濕度，并不再冷卻氣體。
用冰飽和器可達到的*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，于是下圖說明可達到的*大 RH。注意：任何冰的形成將力圖把*大限制到100% RH 標準的等值。
在過冷的情況下可達到的*大 RH
注意：在上面各個圖中 RH 標準及 RH WMO 都表示在給定溫度時氣體中的**相同水汽含量。
兩個 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。