氣象中的濕度是如何測出來的

王奉安

在天氣預(yù)報(bào)中，除了最高氣溫和最低氣溫，還經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)“濕度”這個(gè)詞。濕度與我們的生產(chǎn)、生活有什么關(guān)系？它是如何被測定出來的呢？

濕度與相對(duì)濕度

所謂濕度，在氣象學(xué)中一般指的是空氣濕度，即空氣中水蒸氣的含量，用來表征大氣的干燥程度。空氣中液態(tài)或固態(tài)的水不算在濕度中。不含水蒸氣的空氣被稱為干空氣。

在一定的溫度下，在一定體積的空氣里含有的水汽越少，空氣越干燥；水汽越多，則空氣越潮濕。我們通常用絕對(duì)濕度、相對(duì)濕度、混合比、飽和差以及露點(diǎn)等物理量來表示空氣濕度。在天氣預(yù)報(bào)中，更常用到相對(duì)濕度這個(gè)概念，它反映了降雨或有霧的可能性。在炎熱的天氣之下，高的相對(duì)濕度會(huì)讓人類（和其他動(dòng)物）感到更熱，因?yàn)檫@妨礙了汗水的蒸發(fā)，人類因而制定出了酷熱指數(shù)。在醫(yī)學(xué)上，空氣的濕度與呼吸之間的關(guān)系非常緊密：在一定的濕度下，氧氣比較容易通過肺泡進(jìn)入血液。

人體感覺舒適的相對(duì)濕度在70%以下；在相對(duì)濕度達(dá)到45%～55%時(shí)，感覺最舒適。濕度過高，影響人調(diào)節(jié)體溫的排汗功能，人會(huì)感到悶熱。

最早的測濕儀器

了解了濕度的概念，那么，濕度又是如何測量出來的呢？

我國最早的測濕儀器出現(xiàn)于西漢時(shí)期，名為天平式濕度計(jì)，它比國外的測濕儀器早出現(xiàn)1600多年。這種濕度計(jì)的構(gòu)造很簡單：用一根粗細(xì)均勻的木桿懸掛在立柱的中點(diǎn)處，兩端分別掛上吸濕能力不同的物品，它的樣子好像一架天平。

西漢淮南王劉安主持撰寫的《淮南子》一書曾對(duì)天平式濕度計(jì)有過記載，描述了當(dāng)時(shí)人們用羽毛、木炭測濕，以預(yù)測降雨，“懸羽與炭而知燥濕之氣”。書中還指出了其中的測濕原理：因炭吸濕性強(qiáng)，也易變干燥，極易隨空氣濕度改變而產(chǎn)生質(zhì)量變化，“燥，故炭輕；濕，故炭重”。這里用科學(xué)語言可以描述為，羽毛或炭的質(zhì)量受溫度影響較小，基本保持不變。把羽毛或炭懸掛在天平的兩端，使之處于平衡狀態(tài)，當(dāng)濕度發(fā)生變化時(shí)，炭隨濕度改變而產(chǎn)生質(zhì)量變化，而羽毛不發(fā)生明顯變化，天平因此失去平衡。經(jīng)過多次測量，由天平傾斜角度的大小可以大體知道濕度情況。

三國時(shí)期的孟康曾詳細(xì)記載過天平式濕度計(jì)的結(jié)構(gòu)：把鐵和炭分別掛在天平的兩端，讓天平平衡。冬天時(shí)，空氣比較干燥，炭端上翹，鐵端低垂；夏天時(shí)，空氣比較潮濕，炭端低垂，鐵端上翹。

這兩處關(guān)于天平式濕度計(jì)的記載并非孤例，歷代古書中類似的記載有不少，天平式濕度計(jì)另一端掛的東西也不盡相同，有用鐵和炭的，也有用羽毛和炭的，還有用土和炭的，等等，反正都離不開炭。

由于這種天平式濕度計(jì)具有簡便、易制作的優(yōu)點(diǎn)，且靈敏度尚可，故而如今在一些農(nóng)村地區(qū)仍有人使用。不過，這種濕度計(jì)也存在體積太大、精確度不高等缺陷。

到了明清時(shí)期，出現(xiàn)了一種鹿筋式測濕計(jì)：以2尺長的鹿腸線夾在架子頂端，下面設(shè)有指針圓盤，空氣的濕度變化會(huì)導(dǎo)致圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)，可以精確得出濕度。西方學(xué)者認(rèn)為，這種鹿筋式濕度計(jì)就是現(xiàn)代濕度計(jì)的雛形。

在歐洲，到了16世紀(jì)中葉，才有人用鳥獸的腸子制成弦線，或用野雀麥芒的長度變化來測知大氣的濕度。這種濕度計(jì)大約于1670年傳入我國，在《靈臺(tái)儀象志》一書中有詳細(xì)介紹。書中說它的原理是：物體吸入“燥氣”會(huì)收縮，吸入“濕氣”會(huì)膨脹。萬物中以鳥獸的筋皮對(duì)燥濕氣的效應(yīng)最為明顯，所以人們用筋弦來制作儀器，如前面所提到的鹿筋式濕度計(jì)。

清初的制器工藝家黃履莊還發(fā)明了一種“驗(yàn)燥濕器”，其“內(nèi)有針，能左右旋，燥則左旋，濕則右旋，毫發(fā)不爽，并可預(yù)證陰晴”?？梢姡@種儀器是十分靈敏的。

古人測濕有妙招

歸根結(jié)底，濕度計(jì)的發(fā)明源于古人對(duì)晴雨規(guī)律的觀察。唐代黃子發(fā)專門寫了一本《相雨書》，記載勞動(dòng)人民預(yù)知晴雨的可貴知識(shí)。此外，民間流傳下來許多有關(guān)預(yù)知晴雨的諺語和土辦法，其中有不少都是科學(xué)經(jīng)驗(yàn)的結(jié)晶。

唐代有“壁上自然生水者，天將大雨”和“石上津潤出液，將雨數(shù)日”等記載。這是符合氣象原理的：下雨之前，空氣中的水汽含量必然很大，因此容易在壁上、石上等處凝結(jié)成水滴，以致“生水”“出液”。這一類諺語，全國各地都在流傳。根據(jù)搜集到的資料，僅東北地區(qū)，像“水缸穿裙，大雨傾盆”“食鹽化水，天將大水”之類的諺語，就有許多。

明代科學(xué)家徐光啟在《農(nóng)政全書》 里引用了一條農(nóng)諺：“檐頭插柳青，農(nóng)人休望晴；檐頭插柳焦，農(nóng)人好作嬌?！逼渲械摹白鲖伞笔侵羔劸?。這句農(nóng)諺翻譯為白話文是說：折下來插在檐頭的柳枝如果保持常青，說明空氣潮濕，柳葉中的水分不易蒸發(fā)，所以天氣不得放晴；若柳葉枯黃，那是因?yàn)榭諝飧稍?，柳葉中的水分蒸發(fā)得快，天氣必將放晴，氣溫回升，正好可以釀酒了。

元代以來，民間還有一種“稱水”的方法，可以用來預(yù)知晴雨。這種方法是在每天晚上盛滿一瓶水，翌日早晨稱一下，如果分量還是很重，說明水分蒸發(fā)較慢，那必定是因?yàn)榭諝獬睗?，天氣容易下雨；如果水瓶的分量比較輕，說明水分蒸發(fā)得比較快，表明空氣非常干燥，則天氣不容易下雨。這種方法流傳甚廣，明代著名醫(yī)藥學(xué)家李時(shí)珍在《本草綱目》一書中對(duì)此也有記載。

人們發(fā)現(xiàn)，影響晴雨的最重要因素是大氣濕度，這一點(diǎn)在西漢時(shí)期的《淮南子》一書中有明確記載，即“濕易雨”。所以，古人很注意尋求受大氣濕度影響的現(xiàn)象，戰(zhàn)國古琴便是濕度計(jì)的雛形。早在戰(zhàn)國時(shí)期，人們就知道“風(fēng)雨之變可以音律知之”。后來的《淮南子》中也這么說。對(duì)此，東漢科學(xué)家王充在其所著的《論衡》中指出：“琴弦緩”是天雨的征兆。這是一條很正確的經(jīng)驗(yàn)。因?yàn)閷⒁掠陼r(shí)，空氣濕度顯著增大，拉緊的琴弦吸收了水分，就會(huì)變得長而松弛，所以其音調(diào)也就變低了。琴弦的長度隨大氣濕度的變化是很微小的，不易覺察，但因此引起的音調(diào)的變化十分明顯。故而，通過音調(diào)的變化去預(yù)報(bào)天氣的晴雨是相當(dāng)靈敏的，也是十分巧妙的，其中已孕育著懸弦式濕度計(jì)的原理。

所謂懸弦式濕度計(jì)，即根據(jù)某種“懸弦”的長度隨濕度而變化的原理制成的濕度計(jì)。如此說來，戰(zhàn)國時(shí)代的那張古琴就起到了這種濕度計(jì)的作用。

干濕球測濕法與“阿斯曼”

在遼寧省營口百年氣象陳列館中，有一支1939年日本產(chǎn)的通風(fēng)干濕表。這種通風(fēng)干濕表最早是由德國人R.阿斯曼于1887年制造的，因而統(tǒng)稱為“阿斯曼”。“阿斯曼”適合于野外觀測時(shí)測量空氣的溫度和濕度。它內(nèi)裝兩支一樣的溫度表，溫度表球部處于雙層防輻射套管的中心，套管外表面有反射率良好的電鍍鉻層。套管內(nèi)壁一面涂黑，以便吸收罩內(nèi)層的輻射，使其不致反射至傳感器上。儀器上部是一個(gè)通風(fēng)器，它以發(fā)條或微型電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，通風(fēng)器扇葉旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)將空氣從溫度表球部所處的套管口吸入，經(jīng)叉管和主管流至扇葉，然后排出儀器之外。

其實(shí)，“阿斯曼”與百葉箱里的干濕球溫度表的測濕原理是一樣的。我們了解了干濕球溫度表的測濕原理，也就明白了“阿斯曼”的測濕原理。

如果有機(jī)會(huì)去氣象觀測場，往往能看到氣象百葉箱。百葉箱里垂直掛著兩支構(gòu)造完全相同的溫度表：東邊的一支球部暴露在空氣中，用來測定氣溫，叫“干球溫度表”；西邊的一支，球部纏上用蒸餾水濕潤的紗布，被稱為“濕球溫度表”。這兩支溫度表合起來可以測定空氣相對(duì)濕度。其工作原理是：濕球紗布中的水分不斷向周圍空氣中蒸發(fā)并帶走熱量，使該溫度表附近的溫度下降；且水分蒸發(fā)速率與周圍空氣的含水量有關(guān)—空氣相對(duì)濕度越低，水分蒸發(fā)越快，導(dǎo)致濕球溫度越低?？梢?，空氣濕度與干濕球溫差之間存在某種函數(shù)關(guān)系。干濕球溫度表就是利用這一關(guān)系，來測定空氣的相對(duì)濕度。

測定空氣濕度的準(zhǔn)確度與濕球溫度示度是否準(zhǔn)確有很大關(guān)系。要使?jié)袂驕囟仁径葴?zhǔn)確，濕球表面就要有良好的蒸發(fā)和熱量的交換。通常選用吸水性良好的紗布包住濕球溫度計(jì)，并注意保持紗布的清潔，而且要用純凈的蒸餾水濕潤紗布。

在氣象部門，濕球溫度表的球部統(tǒng)一使用配發(fā)的紗布按照規(guī)定的方式包扎。紗布一般每周更換一次，遇有風(fēng)沙天氣紗布易臟時(shí)可以隨時(shí)更換。

天氣轉(zhuǎn)冷后，有的濕球紗布會(huì)結(jié)冰。這時(shí)候，要把水杯從百葉箱中拿回室內(nèi)，以防凍裂。同時(shí)，將濕球上的紗布在球部以下兩三厘米處剪斷，直到天氣變暖、濕球不再結(jié)冰時(shí)再恢復(fù)紗布原本的長度。濕球結(jié)冰期間，不能用水杯供水，每次觀測前必須潤濕濕球紗布，這一步驟叫“融冰”。融冰的目的是使?jié)袂蛏系募啿寄苡凶銐虻乃只虮拢３譂袂虮砻嬲舭l(fā)狀況良好，以獲得正確的濕球示度。需要注意的是，當(dāng)氣溫（干球溫度表的示度）在-10℃以下時(shí)，要停止觀測濕球溫度，改用毛發(fā)濕度表或毛發(fā)濕度計(jì)測定濕度。

百葉箱里的干濕球溫度表測出的溫濕度固然準(zhǔn)確，可如果我們想要到野外農(nóng)田或者在大棚里觀測氣象要素，百葉箱是帶不走的。在這種情況下，“阿斯曼”可就大顯身手了。相對(duì)百葉箱，“阿斯曼”小巧玲瓏，攜帶方便，直到今天，人們依然在使用。

從人發(fā)到傳感器

除了前面介紹的這些濕度測量儀器，人的毛發(fā)在氣象觀測上也大有用武之地。

人的毛發(fā)經(jīng)脫脂處理后，表面貫穿著許多微孔，這些微孔吸附了周圍環(huán)境中的水汽，在微孔中形成彎月面并產(chǎn)生表面張力。當(dāng)空氣中的水汽達(dá)到飽和時(shí)，彎月面表面張力達(dá)到最大，毛發(fā)伸長到最大位置；隨著空氣中水汽的蒸發(fā)，相對(duì)濕度降低，一部分水從毛孔中蒸發(fā)，毛孔中的彎月面變成凹形，表面張力減少，毛發(fā)因而收縮?？諝鉂穸鹊淖兓鹞⒖讖椥员诘男巫?，最終形成毛發(fā)長度的變化。實(shí)驗(yàn)表明，相對(duì)濕度由0變?yōu)?00%時(shí)，毛發(fā)將伸長自身長度的2.5%。

人們于是利用毛發(fā)的這一特性，制成了毛發(fā)濕度表和毛發(fā)濕度計(jì)來測定空氣的相對(duì)濕度。1783年，瑞士人索絮爾根據(jù)纖維組織對(duì)于干濕的伸縮性發(fā)明了毛發(fā)濕度表，這是因?yàn)槿说念^發(fā)也是纖維結(jié)構(gòu)的。

毛發(fā)濕度表的感應(yīng)部分是一根經(jīng)過脫脂處理的人發(fā)。它被安裝在金屬架內(nèi)，上端固定在金屬片上，下端固定在弧鉤上，弧鉤和指針固定在同一軸上，指針尖端可在刻度尺附近移動(dòng)。在刻度尺上自左至右刻出相對(duì)濕度0～100%。當(dāng)空氣相對(duì)濕度增大時(shí)，指針右移；當(dāng)空氣相對(duì)濕度減小時(shí)，指針左移。需要說明的是，毛發(fā)濕度表的精確性不如干濕球溫度表，所以，氣象臺(tái)站只有在氣溫低于-10℃、不用干濕球溫度表測定相對(duì)濕度時(shí)，才使用毛發(fā)濕度表。

至于毛發(fā)濕度計(jì)，它是以一束毛發(fā)（40根左右）為濕度感應(yīng)元件，利用其隨空氣相對(duì)濕度高低而改變其長度的特性，通過傳動(dòng)放大機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)記錄筆尖在轉(zhuǎn)動(dòng)的自記鐘的記錄紙上畫出相對(duì)濕度的曲線。

據(jù)說，20世紀(jì)50年代，我國制作毛發(fā)濕度表和毛發(fā)濕度計(jì)所用的毛發(fā)主要從法國進(jìn)口，因?yàn)榉▏傻拿l(fā)質(zhì)量特別好。后來發(fā)現(xiàn)，我國女性的毛發(fā)質(zhì)量也不遜色，所以就不需要從法國進(jìn)口了。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，測濕技術(shù)有了飛速發(fā)展。目前，我國氣象臺(tái)站主要用溫濕度傳感器來測量溫度和濕度。

溫濕度傳感器被安裝在百葉箱內(nèi)，各有兩支，其中一組用來觀測數(shù)據(jù)，另一組用來備份數(shù)據(jù)。溫度傳感器主要由鉑電阻制成，其阻值會(huì)隨著溫度的變化而變化，我們利用這種電阻與溫度的相關(guān)特性就能測量溫度。至于濕度傳感器，它主要利用薄膜聚合物材料介電特性變化的原理來測量相對(duì)濕度。

由于溫濕度傳感器具有體積小、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用在氣象臺(tái)站和生產(chǎn)、生活的各個(gè)領(lǐng)域。