水汽 | 水汽的故事

2021-02-12 寧陸陸天氣行

科學家們制定了一些參量來描述空氣中水汽的含量,稱為溼度參量,如:水汽壓,相對溼度,露點溫度,飽和差,比溼,混合比,絕對溼度。

一團溼空氣由幹空氣和其中的水汽構成,如下圖:

看起來非常像咱們初中化學課的鹽水,對不對?幹空氣就像那杯水,而水汽就像鹽,溶解於幹空氣中。

鹽水的濃度怎麼算?鹽的濃度除以鹽水的質量,再乘以100%。

因此,對於溼空氣中水汽的濃度,我們定義:

比溼(Specific humidity):溼空氣中水汽的質量與溼空氣總質量的比值。     

混合比(mixing ratio):溼空氣中水汽的質量與溼空氣中幹空氣品質的比值。   

絕對溼度(absolute humidity,也稱為水汽密度):單位體積溼空氣中水汽的質量。       

此外,大氣還有與眾不同的要素——氣壓,即單位面積上空氣的壓力。因此這個壓力也由幹空氣和水汽兩者共同貢獻。其中,水汽貢獻的分壓強,我們稱之為水汽壓e(vapor pressure)。溼空氣中水汽含量越多,水汽壓e越大。

在同一溫度下,隨著溼空氣中水汽的增多,溼空氣容納水汽的能力達到了飽和,此時的水汽壓就稱為飽和水汽壓E(saturation vapour pressure)。顯然,飽和水汽壓E取決於溫度,溫度越高,溼空氣容納水汽的能力越大,飽和水汽壓E越大。這與鹽水濃度隨溫度而變化的規律是類似的。


人們更關心的是現在的大氣中水汽飽和了嗎?離飽和還有多遠?因此,我們將空氣的實際水汽壓與同溫度下的飽和水汽壓的百分比值,稱為相對溼度f(relative humidity)

我們經常在天氣預報裡聽到的溼度64%,指的就是相對溼度。                   

可以看到,氣溫也影響了空氣中水汽的濃度。假如溼空氣中水汽的含量不變,則水汽壓e不變。此時,如果溫度升高,飽和水汽壓E變大,相對溼度f 將降低;反過來,如果將溫度降低,飽和水汽壓E變小,相對溼度f 將增大。

因此,我們定義:對於含有水汽的溼空氣,在不改變氣壓和水汽含量的情況下,降低溫度而使空氣達到飽和狀態時的溫度為露點溫度Td(dew-point temperature)

實際溫度與露點溫度的差值T-Td就反應了溼空氣中水汽離飽和還有多遠。一般情況下,在850hPa上,T-Td < 4℃,空氣即為溼潤的;假如T-Td ≤ 2℃,我們認為空氣達到了飽和,配合上升運動等條件就會形成降水。

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