用Fortran實現(xiàn)《濕度查算表》的電子化

徐元魁

（民航華東空管局氣象中心 上海 200335）

摘 要：空氣濕度濕表征大氣物理狀態(tài)的一個要素，是民航氣象觀測基本觀測項目之一。在應急人工觀測時，通過人工查閱《濕度查算表》的方式得到相對濕度和露點溫度值。人工查表的過程比較繁瑣，如遇復雜天氣，值班人員還要忙于通報天氣，很容易造成遲發(fā)報。本文將以中國氣象局編寫的《濕度查算表》為依據(jù)，介紹用Fortran語言作為工具進行程序設計，實現(xiàn)電子化《濕度查算表》的思路與方法。經(jīng)檢驗，程序計算濕度結(jié)果與人工查算結(jié)果相吻合。

關鍵詞：濕度查算表，F(xiàn)ortran，二分法

一、引言

空氣濕度濕表征大氣物理狀態(tài)的一個要素，是民航氣象觀測基本觀測項目之一。當自動觀測設備發(fā)生故障時，氣象觀測員需要在室外進行應急人工觀測。其中濕度項目的觀測采用傳統(tǒng)的干濕表法，將百葉箱內(nèi)讀取到的干濕球溫度，通過人工查閱《濕度查算表》的方式得到相對濕度和露點溫度值。在查表過程中，由于需要對濕球溫度進行訂正，因此需要來回翻閱多次，不僅費時，而且很容易出錯，如遇復雜天氣，值班人員還要忙于通報天氣，很容易造成遲發(fā)報。如能由計算機計算代替人工查算，將會大大提高觀測員的工作效率，幫助觀測員節(jié)約時間，從而有更多精力進行報文的編制與檢查等工作。

本文將以中國氣象局編寫的《濕度查算表》為依據(jù)，介紹用Fortran語言作為工具進行程序設計，實現(xiàn)電子化《濕度查算表》的思路與方法。

二、《濕度查算表》的查算方法簡介

《濕度查算表》主要由表1濕球結(jié)冰部分，表2濕球未結(jié)冰部分以及附表的濕球溫度訂正值組成。表1和表2中，每欄居中的數(shù)值為干球溫度，其余每行分別給出了訂正參數(shù)（n），濕球溫度（tw），水汽壓（e），相對濕度（U）和露點溫度（td）的一組數(shù)值。附表為不同型號干濕表的濕球溫度訂正值，不同干濕表經(jīng)過各自的濕球溫度訂正值訂正后，就可以從表1或表2查取濕度。比如，浦東機場氣象臺使用通風速度為0.4m/s的球狀干濕表，應使用附表3進行濕球溫度值的訂正。

查表時，根據(jù)濕球結(jié)冰與否，決定使用表1或表2。用讀取到的干濕球溫度從表2（或表1）中查得訂正參數(shù)n值，再用n值和本站氣壓（個位數(shù)四舍五入）查附表3中相應的濕球溫度訂正值dtw，將此訂正值加在tw上，然后用干球溫度和經(jīng)訂正后的濕球溫度再查表2（或表1），即可查出相對濕度和露點溫度。

由此可見，要嚴格按照查表方法進行查算，要求觀測員做十分細致的工作，才能保證工作質(zhì)量。如能將這部分工作交給計算機去完成，將起到事半功倍的效果。

三、開發(fā)工具簡介

Fortran作為一種擅長科學計算的語言，其語法簡明易讀，非常接近數(shù)學公式的自然描述。在數(shù)值計算上，有強大的IMSL函數(shù)庫的支持，使用Fortran語言進行科學計算能夠保證很好的精度。Fortran源代碼編譯成.exe文件后可以直接運行。在對界面要求不高的情況下，通過讀寫語句即可與用戶進行交互。基于以上優(yōu)點，筆者選擇使用Fortran進行開發(fā)。

四、電子《濕度查算表》的主要功能

電子《濕度查算表》對人工查算過程做了簡化，用戶只需輸入讀取到的干濕球溫度和本站氣壓，即可由程序計算出相應的相對濕度和露點溫度，而無需關注中間的計算細節(jié)。程序以《濕度查算表》提供的有關公式為依據(jù)，計算結(jié)果與人工查算結(jié)果是一致的。

五、濕度計算相關公式

1、水汽壓e（hPa）

（1）

式中， etw（hPa）為濕球溫度所對應的純水平液（冰）面飽和水汽壓，A為干濕表系數(shù)（），P為本站氣壓（hPa），這里取1000hPa，t為干球溫度（℃），tw為濕球溫度（℃）。

2、飽和水汽壓

純水平液（冰）面飽和水汽壓根據(jù)Goff-Gratch公式計算得出。

（2）

（3）

式中， ew為純水平液面飽和水汽壓（hPa）， ei為純水平冰面飽和水汽壓（hPa）， T1=273.16K，T°K=273.15+t℃（絕對溫度）。濕球結(jié)冰且濕球溫度小于等于0℃時，才使用純水平冰面飽和水汽壓公式。

3、相對濕度U（%）

（4）

4、露點溫度

根據(jù)露點溫度的定義，與當時空氣中水汽壓e相等的飽和水汽壓值所對應的溫度值，即為該水汽壓e對應的露點溫度。因此實際水汽壓e與露點溫度的關系可以用Goff-Gratch公式來描述。由于露點溫度無法用水汽壓e直接表示，《濕度差算表》中沒有給出露點溫度的直接計算公式。但根據(jù)實際水汽壓可以反查露點溫度，為解決該問題可用數(shù)值迭代的方法求出露點溫度的數(shù)值解。

露點溫度的初值由馬格拉斯公式給出：

（5）

式中，為0℃時的飽和水汽壓，為6.1078hPa，a為系數(shù)，取7.69，b也為系數(shù)，取243.92。本程序采用最簡單的二分法進行數(shù)值迭代。假設露點溫度初值為x0，將[x0-0.1，x0+0.1]作為初始區(qū)間進行迭代，代碼片段為：

aa=x0-0.1d0

bb=x0+0.1d0

do i=1，MAX

c=（aa+bb）/2d0

if （（func（c）-y）==0） exit

if（（func（aa）-y）*（func（c）-y）<0d0） then

bb=c

else

aa=c

end if

dfx=dabs（（func（aa）-y）-（func（bb）-y））

if （dfx

end do

x=c

fx=func（c）-y

iter=i

經(jīng)檢驗，二分法已能得到滿足精度要求的露點溫度數(shù)值解。

5、濕球溫度訂正值Δ

（6）

（7）

式中， Ai 為不同型號干濕表的干濕表系數(shù)（℃-1 ）。注意，需要將輸入的濕球溫度進行訂正后，才可按（1）式進行水汽壓等物理量的計算。

三、總結(jié)與展望

將浦東機場氣象臺觀測站人工觀測簿一年的記錄進行對比，程序計算結(jié)果與人工查算結(jié)果是一致的。使用濕度查算程序可以作為傳統(tǒng)工作方法的替代，幫助值班觀測員加快查算速度，提高準確率。在遇到復雜天氣時，能夠讓觀測員有更多時間進行編發(fā)報文和天氣通報等其他事務，進一步降低了遲發(fā)報的可能性。

該程序可移植性好，不同地區(qū)的氣象臺站根據(jù)自己的實際情況設置干濕表系數(shù)后即可直接使用。核心算法也便于移植到其他平臺，如手機移動端。

在民航日益發(fā)展的今天，航班量不斷上升，對觀測部門的要求也越來越高，許多機場氣象臺站的觀測頻率提高了。使用電子化的濕度查算表作為一種傳統(tǒng)工作方式的創(chuàng)新，有著很好的推廣意義。

參考文獻：

[1]中國氣象局編 《濕度查算表》（甲種本）

[2] 邊富昌 ，張金翰. 地面氣象測報程序中濕度的計算.《氣象》 1985年07期