干湿球法观测湿度的原理及误差来源分析

干湿球法观测湿度的原理及误差来源分析

王露

海军士官学校 航海系 安徽蚌埠 233012

摘要：空气湿度是表征空气中水汽含量多少的物理量，是决定各种天气现象的重要因子，准确掌握它的测定方法具有重要的实际意义。在野外气象观测作业和教学应用中，利用百叶箱干湿球温度表测量空气湿度，仍发挥重要作用，特别是当自动气象站出现故障时，干湿表法仍可以替代。本文主要研究干湿球法的测湿原理及误差来源分析。

关键词：干湿球法 湿度观测 误差分析 湿度计

空气湿度是表征空气中水汽含量多少或空气潮湿程度的物理量，是决定云、雾和降水等众多天气现象的重要因素，同时对人类的生产生活也有很多影响，准确掌握它的测定方法具有重要的实际意义^[1,2]。随着人工智能技术的发展，自动气象站在我国气象台站开始推广使用，但是由于条件限制，在很多野外作业和教学应用中，还不可能都使用自动气象站，利用干湿球温度表测定空气湿度（干湿球法），在很多气象观测中仍发挥重要作用^[3]。

1 干湿球温度表构造

干湿球温度表是由两支规格相同的水银温度表组成，其中一支为干球温度表，用它测定的温度是气温，称为干球温度，另一支为湿球温度表，用它测定的温度，称为湿球温度。湿球温度表的球部位置裹有纱布，纱布的下端引入球部下方的水杯中，借助毛细作用，使纱布保持湿润。在实际气象台站观测中，两支温度表安装在专用支架上，整体固定放置在百叶箱中使用。

2 测湿原理

当空气与开放的水面接触时，便会在介质表面之间发生热量交换。根据介质温度与湿度的情况，两者之间既可能产生感热交换，也可能发生潜热交换。当两种介质之间温度相同时，主要发生潜热交换，当两种介质之间存在温差时，既有潜热交换，又有感热交换，总热量交换是感热交换与潜热交换的代数和。根据质交换理论，空气与水直接接触时，在两种介质的交界面，由于水分子作无规则运动，形成一个与两种介质温度相等的饱和空气边界层，如图1所示，当边界层内水汽压大于周围空气的水汽压时，则由边界层进入周围空气中的水汽分子个数大于周围空气进入边界层的水汽分子数，从而实现热量交换，称为直接蒸发冷却。

图1 蒸发制冷模型

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作者简介：王露（1987.2-），男，汉族，安徽省萧县人，研究生硕士，助教，研究方向：水文气象，物理海洋。Email:369985140@qq.com

1802年，道尔顿通过实验得出了反映蒸发面的蒸发速率与影响蒸发因素的关系式：

，

式中W为水面蒸发速率，E为水面温度下的饱和水汽压，e为空气中的实际水汽压，P为大气压强，C是比例系数，取决于外界风速大小，不同的风速值对应有不同的C值，具体数值需通过实验测定，上式也被称为道尔顿蒸发定律，表明水面的蒸发速率与风速成正比，与大气压强成反比，与当时温度下的饱和水汽压和实际水汽压的差值成正比。

热力学第二定律指出，热量总是自发的从高温介质传向低温介质，这一现象称为热传导现象。如图2所示，x方向为温度变化最大的方向，其温度的空间变化率为 ，叫做温度梯度。 为垂直于x轴某一平面微元的面积。实验表明，在单位时间内，从高温介质一侧通过此平面传向温度较低一侧的热量，与平面处的温度梯度成正比，同时也与面积 成正比，用公式表示为：

，

式中比例系数 叫做热导率或导热系数，负号表示热量传递的方向是从高温传向低温，和温度梯度的方向相反。

图2 热传导现象

根据道尔顿蒸发定律和热传导公式，可以得出干湿表的测湿公式：

，

为空气的水汽压， 为湿球温度 所对应的饱和水汽压， 为干湿表系数（ ）， 为测量时的气压值（hPa）， 为干球温度（℃）， 为湿球温度（℃），从式中可以看出，如果知道干球温度 、湿球温度 、气压 和干湿表系数 值，就可以利用公式计算水汽压 值。

干湿球测湿法是一种间接测量方法，当空气中水汽未饱和时，湿球球部纱布上的水分会不断蒸发，由于蒸发是吸热过程，会消耗湿球球部的热量，使得湿球温度表的示度值低于干球示度值。同时，湿球的球部又通过热交换从周围空气中吸收热量，当湿球球部吸收和消耗的热量达到动态平衡时，湿球温度表的刻度就会稳定在某一刻度上。

3 误差来源分析

3.1 引起相对湿度误差的因素分析

影响相对湿度误差的因素很多，中国气象局编制的《湿度差算表》中归纳了以下几个：干球温度、湿球温度、干湿球温度差、气压和干湿表系数的误差，各自引起相对湿度误差的计算结果也不相同，其中干湿球温度差 与干湿表系数的误差 是影响相对湿度的主要因子。

温度测量误差 导致的测湿误差随气温的降低而增大，且气温越低，引起的相对湿度误差越大。当气温为-10℃时，干湿球温度差引起的测湿误差达到5.1％，要比20℃时测湿误差0.6%大得多。因此，在实际地面气象观测时，气温低于-10℃时，应停止使用干湿表；且干湿表读数要分辨到0.1℃，以便降低误差。干湿表系数相对误差超过±15％时，则引起的测湿误差相对较大，且随温度的降低而显著增大。当干湿表系数相对误差ΔA/A小于±1.5％，测湿误差可以控制在1％以内。

3.2 干湿表系数A的影响因子

通过总结前人的研究发现^[4-5]，干湿表系数A主要受湿球球部附近的气流速度有关，A值随气流的增加而减小，当风速达到2m/s以上时，A值逐渐趋向一个稳定的临界值。A值还与湿球球部的形状有关，球部形状不同，蒸发的表面积也不相同，所对应的A值也不相同，湿球表面是否结冰对A值也有影响，湿球表面积冰，蒸发潜热就变成了升华潜热，A值减小，因此，在观测过程中计算水汽压时一定要注意湿球表面是否结冰，采用不同的干湿表系数。此外，干湿球法测量湿度还与气压、气温、湿度大小等有着很弱且复杂的关系，湿球纱布的包扎和清洁情况也会产生一定影响。

4 结论

本研究主要从道尔顿蒸发定律和牛顿热传导公式介绍了干湿球法测量空气湿度的原理，同时对测量中的误差来源做出了定性分析，为干湿表在实际使用工作提供借鉴。

参考文献

[1] 贺胜，赵亮.干湿球法测量湿度影响因素分析[J].中国标准化，2018,516(4):198-200.

[2] 赵龙海. 干湿球法测量烟气湿度影响因素探讨[J]. 商品与质量，2019,000（005）：287-288..

[3] 王涛，申闯. 干湿球法测量湿度影响因素分析[J].工程技术：全文版，2016,(8):00297-00297.

[4] 刘宇虹，王振.如何正确地检定温湿度计[J].科技创新导报，2018,,15(12):35-36.

[5] 王云鹤，程志明，金士英等.干湿球系数影响因素分析与试验研究[J].计量与测试技术，2018,45(11):14-17.