湿度指标定义及计算总结：RH、Td、VPD、AH
湿度指标定义及计算总结：RH、Td、VPD、AH
湿度是气象学和环境科学中的一个重要参数，它反映了空气中水汽的含量及其对人类生活和自然环境的影响。本文将详细介绍几种常见的湿度指标及其计算方法，包括相对湿度（RH）、露点温度（Td）、蒸汽压亏缺（VPD）、绝对湿度（AH）等。
温度依赖性湿度指标
这些指标通常由气象站直接测量，可以反映人类对环境湿度水平的感知。
1. 相对湿度 (Relative Humidity, RH, %)
定义：相对湿度是空气中水汽的实际含量与该温度下空气所能容纳的最大水汽量（饱和水汽量）的百分比。它表示空气的“湿润”程度。
相对湿度(%)= 一定温度下大气中的水蒸气含量（mw）/ 其湿度的饱和水蒸气（mmax）×100
当相对湿度为100%时，大气中的水汽含量饱和，就会发生结露。此时的温度称为“露点温度”。
优点：
- 直观反映空气的潮湿程度
- 与人类的舒适感密切相关
- 可以通过简单的仪器测量
缺点：
- 受温度影响较大，温度变化会导致相对湿度变化
- 在不同温度下，相同的相对湿度可能对应不同的绝对水汽含量
2. 露点温度 (Dew Point Temperature, Td, °C or °F)
定义：露点温度是指在恒定压力下，空气中的水汽达到饱和并开始凝结成露珠时的温度。它反映了空气中实际水汽含量的多少，是衡量空气湿度的一个重要指标。
计算公式：
露点温度可以通过相对湿度和温度来计算，常用公式如下：
Td = T - (100 - RH) / 5
其中，T为当前温度，RH为相对湿度。
优点：
- 不受温度变化影响，能更准确地反映空气中的水汽含量
- 可以预测结露的可能性
缺点：
- 测量和计算相对复杂
- 在高湿度环境下，露点温度与实际温度相差不大
3. 蒸汽压亏缺 (Vapor Pressure Deficit, VPD, hPa)
定义：蒸汽压亏缺是指空气中的实际水汽压与同温度下饱和水汽压之间的差值。它反映了空气吸收水分的能力，是植物蒸腾作用和农作物生长的重要指标。
计算公式：
VPD = es - e
其中，es为饱和水汽压，e为实际水汽压。
优点：
- 能够反映空气的干燥程度
- 对植物生长和水分管理有重要参考价值
缺点：
- 计算较为复杂，需要知道饱和水汽压和实际水汽压
- 不同温度下的VPD值需要换算
温度独立性湿度指标
这些指标不受温度影响，主要反映空气中水汽的实际含量。
4. 绝对湿度 (Absolute Humidity, AH, g/m³)
定义：绝对湿度是指单位体积空气中所含水汽的质量，通常以克每立方米（g/m³）为单位。它直接反映了空气中水汽的含量，不随温度变化而变化。
计算公式：
AH = m / V
其中，m为水汽质量，V为空气体积。
优点：
- 直接反映空气中水汽的实际含量
- 不受温度影响，便于比较不同温度下的湿度状况
缺点：
- 测量较为复杂
- 与人类的舒适感关联性不如相对湿度直观
5. 比湿 (Specific Humidity, q, g/kg)
定义：比湿是指单位质量干空气中所含水汽的质量，通常以克每千克（g/kg）为单位。它反映了空气中水汽的相对含量。
计算公式：
q = m_w / (m_w + m_d)
其中，m_w为水汽质量，m_d为干空气质量。
优点：
- 能够反映空气中水汽的相对含量
- 不受温度影响
缺点：
- 测量和计算相对复杂
- 与人类的舒适感关联性不如相对湿度直观
6. 蒸汽压 (Vapor Pressure, e, hPa or mb)
定义：蒸汽压是指空气中水汽所产生的分压，通常以百帕（hPa）或毫巴（mb）为单位。它反映了空气中水汽的含量及其对大气压力的贡献。
计算公式：
e = m_w * R_v * T / V
其中，m_w为水汽质量，R_v为水汽的气体常数，T为绝对温度，V为空气体积。
优点：
- 能够反映空气中水汽的实际含量
- 在气象学和气候学研究中应用广泛
缺点：
- 计算较为复杂
- 需要精确测量水汽质量和温度
7. 混合比 (Mixing Ratio, r, g/kg)
定义：混合比是指单位质量干空气中所含水汽的质量，通常以克每千克（g/kg）为单位。它反映了空气中水汽的相对含量。
计算公式：
r = m_w / m_d
其中，m_w为水汽质量，m_d为干空气质量。
优点：
- 能够反映空气中水汽的相对含量
- 不受温度影响
缺点：
- 测量和计算相对复杂
- 与人类的舒适感关联性不如相对湿度直观
其他相关定义
- 饱和水蒸气量：在特定温度和压力下，单位体积或单位质量干空气中所能容纳的最大水汽量。
- 饱和差 ed （hPa）：饱和水汽压与实际水汽压之差，反映了空气吸收水分的能力。
Python计算代码
import math
def saturation_vapor_pressure(T):
"""计算饱和水汽压（hPa）"""
return 6.1078 * math.exp((17.27 * T) / (T + 237.3))
def vapor_pressure_deficit(T, RH):
"""计算蒸汽压亏缺（hPa）"""
es = saturation_vapor_pressure(T)
e = es * (RH / 100)
return es - e
def absolute_humidity(T, RH):
"""计算绝对湿度（g/m³）"""
es = saturation_vapor_pressure(T)
e = es * (RH / 100)
return 216.7 * e / (T + 273.15)
# 示例计算
T = 25 # 温度（°C）
RH = 50 # 相对湿度（%）
print("饱和水汽压：", saturation_vapor_pressure(T))
print("蒸汽压亏缺：", vapor_pressure_deficit(T, RH))
print("绝对湿度：", absolute_humidity(T, RH))
参考文献
[1] 《气象学基础》
[2] 《环境科学导论》