气象中的湿度是如何测出来的

王奉安

在天气预报中，除了最高气温和最低气温，还经常会出现“湿度”这个词。湿度与我们的生产、生活有什么关系？它是如何被测定出来的呢？

湿度与相对湿度

所谓湿度，在气象学中一般指的是空气湿度，即空气中水蒸气的含量，用来表征大气的干燥程度。空气中液态或固态的水不算在湿度中。不含水蒸气的空气被称为干空气。

在一定的温度下，在一定体积的空气里含有的水汽越少，空气越干燥；水汽越多，则空气越潮湿。我们通常用绝对湿度、相对湿度、混合比、饱和差以及露点等物理量来表示空气湿度。在天气预报中，更常用到相对湿度这个概念，它反映了降雨或有雾的可能性。在炎热的天气之下，高的相对湿度会让人类（和其他动物）感到更热，因为这妨碍了汗水的蒸发，人类因而制定出了酷热指数。在医学上，空气的湿度与呼吸之间的关系非常紧密：在一定的湿度下，氧气比较容易通过肺泡进入血液。

人体感觉舒适的相对湿度在70%以下；在相对湿度达到45%～55%时，感觉最舒适。湿度过高，影响人调节体温的排汗功能，人会感到闷热。

最早的测湿仪器

了解了湿度的概念，那么，湿度又是如何测量出来的呢？

我国最早的测湿仪器出现于西汉时期，名为天平式湿度计，它比国外的测湿仪器早出现1600多年。这种湿度计的构造很简单：用一根粗细均匀的木杆悬挂在立柱的中点处，两端分别挂上吸湿能力不同的物品，它的样子好像一架天平。

西汉淮南王刘安主持撰写的《淮南子》一书曾对天平式湿度计有过记载，描述了当时人们用羽毛、木炭测湿，以预测降雨，“悬羽与炭而知燥湿之气”。书中还指出了其中的测湿原理：因炭吸湿性强，也易变干燥，极易随空气湿度改变而产生质量变化，“燥，故炭轻；湿，故炭重”。这里用科学语言可以描述为，羽毛或炭的质量受温度影响较小，基本保持不变。把羽毛或炭悬挂在天平的两端，使之处于平衡状态，当湿度发生变化时，炭随湿度改变而产生质量变化，而羽毛不发生明显变化，天平因此失去平衡。经过多次测量，由天平倾斜角度的大小可以大体知道湿度情况。

三国时期的孟康曾详细记载过天平式湿度计的结构：把铁和炭分别挂在天平的两端，让天平平衡。冬天时，空气比较干燥，炭端上翘，铁端低垂；夏天时，空气比较潮湿，炭端低垂，铁端上翘。

这两处关于天平式湿度计的记载并非孤例，历代古书中类似的记载有不少，天平式湿度计另一端挂的东西也不尽相同，有用铁和炭的，也有用羽毛和炭的，还有用土和炭的，等等，反正都离不开炭。

由于这种天平式湿度计具有简便、易制作的优点，且灵敏度尚可，故而如今在一些农村地区仍有人使用。不过，这种湿度计也存在体积太大、精确度不高等缺陷。

到了明清时期，出现了一种鹿筋式测湿计：以2尺长的鹿肠线夹在架子顶端，下面设有指针圆盘，空气的湿度变化会导致圆盘转动，可以精确得出湿度。西方学者认为，这种鹿筋式湿度计就是现代湿度计的雏形。

在欧洲，到了16世纪中叶，才有人用鸟兽的肠子制成弦线，或用野雀麦芒的长度变化来测知大气的湿度。这种湿度计大约于1670年传入我国，在《灵台仪象志》一书中有详细介绍。书中说它的原理是：物体吸入“燥气”会收缩，吸入“湿气”会膨胀。万物中以鸟兽的筋皮对燥湿气的效应最为明显，所以人们用筋弦来制作仪器，如前面所提到的鹿筋式湿度计。

清初的制器工艺家黄履庄还发明了一种“验燥湿器”，其“内有针，能左右旋，燥则左旋，湿则右旋，毫发不爽，并可预证阴晴”。可见，这种仪器是十分灵敏的。

古人测湿有妙招

归根结底，湿度计的发明源于古人对晴雨规律的观察。唐代黄子发专门写了一本《相雨书》，记载劳动人民预知晴雨的可贵知识。此外，民间流传下来许多有关预知晴雨的谚语和土办法，其中有不少都是科学经验的结晶。

唐代有“壁上自然生水者，天将大雨”和“石上津润出液，将雨数日”等记载。这是符合气象原理的：下雨之前，空气中的水汽含量必然很大，因此容易在壁上、石上等处凝结成水滴，以致“生水”“出液”。这一类谚语，全国各地都在流传。根据搜集到的资料，仅东北地区，像“水缸穿裙，大雨倾盆”“食盐化水，天将大水”之类的谚语，就有许多。

明代科学家徐光启在《农政全书》 里引用了一条农谚：“檐头插柳青，农人休望晴；檐头插柳焦，农人好作娇。”其中的“作娇”是指酿酒。这句农谚翻译为白话文是说：折下来插在檐头的柳枝如果保持常青，说明空气潮湿，柳叶中的水分不易蒸发，所以天气不得放晴；若柳叶枯黄，那是因为空气干燥，柳叶中的水分蒸发得快，天气必将放晴，气温回升，正好可以酿酒了。

元代以来，民间还有一种“称水”的方法，可以用来预知晴雨。这种方法是在每天晚上盛满一瓶水，翌日早晨称一下，如果分量还是很重，说明水分蒸发较慢，那必定是因为空气潮湿，天气容易下雨；如果水瓶的分量比较轻，说明水分蒸发得比较快，表明空气非常干燥，则天气不容易下雨。这种方法流传甚广，明代著名医药学家李时珍在《本草纲目》一书中对此也有记载。

人们发现，影响晴雨的最重要因素是大气湿度，这一点在西汉时期的《淮南子》一书中有明确记载，即“湿易雨”。所以，古人很注意寻求受大气湿度影响的现象，战国古琴便是湿度计的雏形。早在战国时期，人们就知道“风雨之变可以音律知之”。后来的《淮南子》中也这么说。对此，东汉科学家王充在其所著的《论衡》中指出：“琴弦缓”是天雨的征兆。这是一条很正确的经验。因为将要下雨时，空气湿度显著增大，拉紧的琴弦吸收了水分，就会变得长而松弛，所以其音调也就变低了。琴弦的长度随大气湿度的变化是很微小的，不易觉察，但因此引起的音调的变化十分明显。故而，通过音调的变化去预报天气的晴雨是相当灵敏的，也是十分巧妙的，其中已孕育着悬弦式湿度计的原理。

所谓悬弦式湿度计，即根据某种“悬弦”的长度随湿度而变化的原理制成的湿度计。如此说来，战国时代的那张古琴就起到了这种湿度计的作用。

干湿球测湿法与“阿斯曼”

在辽宁省营口百年气象陈列馆中，有一支1939年日本产的通风干湿表。这种通风干湿表最早是由德国人R.阿斯曼于1887年制造的，因而统称为“阿斯曼”。“阿斯曼”适合于野外观测时测量空气的温度和湿度。它内装两支一样的温度表，温度表球部处于双层防辐射套管的中心，套管外表面有反射率良好的电镀铬层。套管内壁一面涂黑，以便吸收罩内层的辐射，使其不致反射至传感器上。仪器上部是一个通风器，它以发条或微型电动机为动力，通风器扇叶旋转时会将空气从温度表球部所处的套管口吸入，经叉管和主管流至扇叶，然后排出仪器之外。

其实，“阿斯曼”与百叶箱里的干湿球温度表的测湿原理是一样的。我们了解了干湿球温度表的测湿原理，也就明白了“阿斯曼”的测湿原理。

如果有机会去气象观测场，往往能看到气象百叶箱。百叶箱里垂直挂着两支构造完全相同的温度表：东边的一支球部暴露在空气中，用来测定气温，叫“干球温度表”；西边的一支，球部缠上用蒸馏水湿润的纱布，被称为“湿球温度表”。这两支温度表合起来可以测定空气相对湿度。其工作原理是：湿球纱布中的水分不断向周围空气中蒸发并带走热量，使该温度表附近的温度下降；且水分蒸发速率与周围空气的含水量有关—空气相对湿度越低，水分蒸发越快，导致湿球温度越低。可见，空气湿度与干湿球温差之间存在某种函数关系。干湿球温度表就是利用这一关系，来测定空气的相对湿度。

测定空气湿度的准确度与湿球温度示度是否准确有很大关系。要使湿球温度示度准确，湿球表面就要有良好的蒸发和热量的交换。通常选用吸水性良好的纱布包住湿球温度计，并注意保持纱布的清洁，而且要用纯净的蒸馏水湿润纱布。

在气象部门，湿球温度表的球部统一使用配发的纱布按照规定的方式包扎。纱布一般每周更换一次，遇有风沙天气纱布易脏时可以随时更换。

天气转冷后，有的湿球纱布会结冰。这时候，要把水杯从百叶箱中拿回室内，以防冻裂。同时，将湿球上的纱布在球部以下两三厘米处剪断，直到天气变暖、湿球不再结冰时再恢复纱布原本的长度。湿球结冰期间，不能用水杯供水，每次观测前必须润湿湿球纱布，这一步骤叫“融冰”。融冰的目的是使湿球上的纱布能有足够的水分或冰衣，保持湿球表面蒸发状况良好，以获得正确的湿球示度。需要注意的是，当气温（干球温度表的示度）在-10℃以下时，要停止观测湿球温度，改用毛发湿度表或毛发湿度计测定湿度。

百叶箱里的干湿球温度表测出的温湿度固然准确，可如果我们想要到野外农田或者在大棚里观测气象要素，百叶箱是带不走的。在这种情况下，“阿斯曼”可就大显身手了。相对百叶箱，“阿斯曼”小巧玲珑，携带方便，直到今天，人们依然在使用。

从人发到传感器

除了前面介绍的这些湿度测量仪器，人的毛发在气象观测上也大有用武之地。

人的毛发经脱脂处理后，表面贯穿着许多微孔，这些微孔吸附了周围环境中的水汽，在微孔中形成弯月面并产生表面张力。当空气中的水汽达到饱和时，弯月面表面张力达到最大，毛发伸长到最大位置；随着空气中水汽的蒸发，相对湿度降低，一部分水从毛孔中蒸发，毛孔中的弯月面变成凹形，表面张力减少，毛发因而收缩。空气湿度的变化引起微孔弹性壁的形变，最终形成毛发长度的变化。实验表明，相对湿度由0变为100%时，毛发将伸长自身长度的2.5%。

人们于是利用毛发的这一特性，制成了毛发湿度表和毛发湿度计来测定空气的相对湿度。1783年，瑞士人索絮尔根据纤维组织对于干湿的伸缩性发明了毛发湿度表，这是因为人的头发也是纤维结构的。

毛发湿度表的感应部分是一根经过脱脂处理的人发。它被安装在金属架内，上端固定在金属片上，下端固定在弧钩上，弧钩和指针固定在同一轴上，指针尖端可在刻度尺附近移動。在刻度尺上自左至右刻出相对湿度0～100%。当空气相对湿度增大时，指针右移；当空气相对湿度减小时，指针左移。需要说明的是，毛发湿度表的精确性不如干湿球温度表，所以，气象台站只有在气温低于-10℃、不用干湿球温度表测定相对湿度时，才使用毛发湿度表。

至于毛发湿度计，它是以一束毛发（40根左右）为湿度感应元件，利用其随空气相对湿度高低而改变其长度的特性，通过传动放大机构，带动记录笔尖在转动的自记钟的记录纸上画出相对湿度的曲线。

据说，20世纪50年代，我国制作毛发湿度表和毛发湿度计所用的毛发主要从法国进口，因为法国女郎的毛发质量特别好。后来发现，我国女性的毛发质量也不逊色，所以就不需要从法国进口了。

随着电子技术的发展，测湿技术有了飞速发展。目前，我国气象台站主要用温湿度传感器来测量温度和湿度。

温湿度传感器被安装在百叶箱内，各有两支，其中一组用来观测数据，另一组用来备份数据。温度传感器主要由铂电阻制成，其阻值会随着温度的变化而变化，我们利用这种电阻与温度的相关特性就能测量温度。至于湿度传感器，它主要利用薄膜聚合物材料介电特性变化的原理来测量相对湿度。

由于温湿度传感器具有体积小、性能稳定等特点，因而被广泛应用在气象台站和生产、生活的各个领域。