空氣濕球溫度分析和研究1

空氣濕溫分析和究吳喜平摘要對陸地、土壤結(jié)構(gòu)、土壤濕度、植被、海洋的水蒸發(fā)特性、大氣湍流等影響空氣含濕量的變化規(guī)律，進(jìn)行了分析研究。最終得出大氣濕球溫度的簡化計(jì)算方法。關(guān)鍵詞濕球溫度空氣的含濕量蒸發(fā)速度andAnalysisAir'sWet-bulbTemperatureWuXipingTheevaporationofthewaterinnatureandthechangeofair'shumidityratioinadayhavebeenchangeoftheair'swet-bulbandthesimpleformulaforitscalculatinghavebeendeduced.Keywords:entyalpy,humidityratio,dry-bulbtemperaturewet-bulbtemparature

問題提出同濟(jì)大學(xué)和清華大學(xué)等合編的《空氣調(diào)節(jié)》教科書，無論第一版還是第三版都引用“氣溫日變化曲線”圖(圖1)。從1中可以看出，從上午到下午2:00空氣的濕球溫度是降低的，并一直延伸至下午。我們都知道這樣兩點(diǎn)事實(shí)：圖1

氣溫日變化曲線(1)在人類生存的大氣環(huán)境內(nèi)氣的焓是空氣的濕球溫度的單值函數(shù)本資料介紹，它可表示為：I=4.19(0.1688t

m

2

+0.1541t+3.862)m(kJ/kg)(1)即空氣的濕球溫度t高，空氣的焓值愈大；m(2)空氣的焓又有它的定義形式：第頁頁

I=1.01t+d(2500+1.84t)(kJ/kg)(2)式中t——空氣的干球溫度，℃d——空氣的含濕量，g/kg從上午10:00到下午2:00，太陽輻射強(qiáng)度逐漸增大，空氣溫度逐漸升高，地面上的水蒸發(fā)加快，直觀理解空氣的焓應(yīng)當(dāng)增加。但是在這一段時間內(nèi)圖曲線中反映出的濕球溫度是減小的，即焓值是降低的，由此可提出下列兩個問題上述空氣濕球溫度日變化是否有一定的普遍性(2)上述空氣濕球溫度變化如有普遍性又如何來解釋空氣的焓在這段時間內(nèi)下降的事實(shí)?從式(2)可知，只要能說明空氣的含濕量在這段時間內(nèi)逐漸減小空氣的含濕量比空氣的干球溫度對焓影響大)，即可推論出空氣的濕球溫度在這段時間內(nèi)是降低的。

水的發(fā)自然界中的水源很多，如開闊的水域、冰面、雪面及潮濕的土壤植被等。自然蒸發(fā)又相當(dāng)復(fù)雜，其快慢不僅受氣象因素的影響，而且還有地理環(huán)境的制約。近來人們通過大量研究發(fā)現(xiàn)，影響自然蒸發(fā)的主要因素是氣壓、飽和差和風(fēng)速。氣壓高、空氣濕度大蒸發(fā)速度慢。風(fēng)速大可使蒸發(fā)加快。此外，水溫、水質(zhì)和水域大小等對蒸發(fā)快慢也有一定的影響。蒸發(fā)速度和飽和差(P-P)成正比，此外P應(yīng)由蒸發(fā)面的溫度算出，但通常以氣溫下的飽飽飽和水汽壓來代替如果水面上空氣的水汽壓小于該溫度下的最大水汽壓水的分子將飽蒸發(fā)成水蒸氣進(jìn)入大氣中。飽和差愈大，水蒸發(fā)速度也就愈快。相反，飽和差愈小，則蒸發(fā)速度也就愈慢。風(fēng)力對蒸發(fā)的影響很大，因?yàn)樽匀徽舭l(fā)不是在靜止的空氣內(nèi)，而是發(fā)生在風(fēng)速變化很大的大氣中。大氣中水蒸氣水平擴(kuò)散和垂直擴(kuò)散時對水蒸發(fā)起著決定性作用。風(fēng)或湍流將蒸發(fā)面上的潮濕空氣帶走，取而代之的是另一種較干的新空氣，在這種情況下，蒸發(fā)速度取決于空氣速度湍流強(qiáng)度及所補(bǔ)充的新空氣的飽和差。這些因素對水蒸發(fā)的影響是相當(dāng)復(fù)雜的，但為方便起見，人們常把蒸發(fā)歸納為飽和差和風(fēng)速的某一函數(shù)的乘積：W=(P-P)f(V)(3)飽需要說明的是如果風(fēng)吹過的是一個很大的水域，風(fēng)速的變化對蒸發(fā)的影響就不十分重要了。例如，在北非撒哈拉大沙漠中形成的風(fēng)，流經(jīng)北非海岸時很干燥，它的大小對水蒸發(fā)的影響很大；但在橫跨地中海時，其性質(zhì)改變了，變得溫和而潮濕，這時風(fēng)速的大小對蒸發(fā)的影響很小甚至沒有什么影響。大氣湍流強(qiáng)度隨風(fēng)速增大而增大。強(qiáng)烈的湍流交換可以使空氣攪拌均勻，減少垂直濕度梯度，從而使蒸發(fā)變緩。但是在水源充足，熱量足夠多的熱帶或副熱帶，蒸發(fā)主要決定于水汽向上層大氣的湍流輸送速度，因而湍流加大，蒸發(fā)速度也隨之增加。除了上述一些因素外，影響大陸上水的蒸發(fā)還有土壤的結(jié)構(gòu)、濕度、植被特性，海洋上的水蒸發(fā)還有海水中的鹽分等。

空氣濕量變化從上午9：00至下午2：00左右，空氣的干濕溫度逐漸升高，但在這段時間內(nèi)，空氣含濕量的變化是空氣焓值變化影響的主要因素。在通常情況下，空氣含濕量增加，空氣的焓也隨之變大，反之空氣的焓值隨之降低。圖和圖3分別為上海龍華氣象站和原蘇聯(lián)多爾普魯?shù)陧擁?/p>

德納氣象站測試的當(dāng)?shù)卮髿夂瑵窳咳兆兓€。由圖2圖3可知，從上午7：00下午1：00左右空氣的含濕量逐漸變小，因此它反映的空氣焓值隨之變小，這和1反映的情況是一致的。所不同的是地點(diǎn)及最大、最小值出現(xiàn)的時間和數(shù)值不同，因此圖反映的空氣的濕球溫度變化曲線在部分地區(qū)內(nèi)具有一定的代表性。圖2

上海龍華氣象站1989年5月26日濕度日變化

圖3原蘇聯(lián)多爾普魯?shù)录{亞氣象站測試的濕度日變化曲線，夏天2m（多年平均）空氣濕量化特隨著高度的增加，空氣中的水蒸氣含量迅速減少，一般從地面到高空每升高～1200m，水氣含量約減少1/2到5000m高度上，水汽含量僅是地面的1/10水蒸氣壓力隨高度的減小可表達(dá)為：第頁頁

P=P×100

-Z/β

(4)式中P、P——任意高度、地面上的平均水汽壓，0β——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，m，對于低層大氣，β≈5000mZ——高度，m雖然空氣的濕度隨高度單調(diào)減小但大氣中湍流混合強(qiáng)度的增加促使大氣不同層內(nèi)的濕度變得均勻從而可引起下面濕度減小和邊界層上部的濕度大是原蘇聯(lián)多爾普魯?shù)眉{亞氣象站給出的不同高度和不同時刻空氣的濕度值圖中的曲線充分說明了上述見解200m高空以下氣濕度從7∶00至16∶00是減小的和圖2和圖3基本相同)200m以上高空，這段時間內(nèi)空氣的濕度是增加的。這種結(jié)果是由于水蒸氣垂直擴(kuò)散造成的。在16∶00由于強(qiáng)烈的混合結(jié)果鉛直梯度不大而在早晨∶00在整個邊界內(nèi)鉛直梯度都很大。圖4

濕度的鉛直廊線大氣溫度的改變是影響土壤溫度變化的主要因素之一。而土壤溫度的變化又直接影響其上面空氣溫度的變化。在白天，隨著土壤表面溫度的升高，在其表面和低層空氣內(nèi)的溫度要增加；夜間，隨著空氣溫度的降低，溫度相應(yīng)也要減小。然而從早晨到中午，由于湍流的增強(qiáng)和空氣溫度的升高會引起相反的結(jié)果。綜合影響的效果取決于上層土壤的潮濕程度和湍流日變化的范圍。在干燥土壤的上面，白天隨著土壤表面溫度的升高，空氣濕度沒有明顯地增加，在這種情況下，蒸發(fā)耗熱不大，白天的熱力不穩(wěn)定度很大。所以湍流影響是主要的因素。白天在邊界低部空氣濕度達(dá)到極小值。在早晨和傍晚，由于湍流交換不大，雖然蒸發(fā)也不大，但是蒸發(fā)會使水汽在土壤表面附近積累，因而空氣溫度會出現(xiàn)最大值。夜間當(dāng)完全沒有蒸發(fā)或出現(xiàn)結(jié)露時，空氣溫度又出現(xiàn)另一個極小值，圖很明顯地表現(xiàn)出這種特性。

夏季氣濕溫度化計(jì)式通過上述分析可知，空氣的濕球溫度與空氣的含濕量、干球溫度有關(guān)，而空氣的含濕量又與海拔高度、地面水蒸發(fā)情況、風(fēng)向風(fēng)速等很多因素有關(guān)?？諝飧汕驕囟韧瑯右矔绊懰陧擁?/p>

的蒸發(fā)和空氣中含濕量的大小，因此很難把這些因素用一個確切的函數(shù)關(guān)系表達(dá)出來。通過大量資料和數(shù)據(jù)分析整理，提出下述室外空氣濕球溫度簡化計(jì)算式：(5)式中T——τ時刻的室外空氣濕球溫度，℃m,τT——夏季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算濕球溫度，℃mT——夏季空氣調(diào)節(jié)溫度，℃wT——夏季空氣調(diào)節(jié)日平均溫度，℃pB′——夏季大氣壓，mbarB——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，B=1013.25mbarτ——計(jì)算時刻，hS——修正值，取S=5例：計(jì)算北京夏季上午8：00的室外空氣濕球溫度。解GBJ19—《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范北京市有關(guān)氣象參數(shù)為=26.4℃，mT=33.2℃，T=28.6℃，B′=998.6mbar。wp代入式(5)計(jì)算得T.=27.2℃。m8作者簡介：吳喜平，54歲，大學(xué)畢業(yè)，蓄能空調(diào)研究所所長。吳喜平（同濟(jì)大學(xué)）第頁頁

以下無正僅供個用學(xué)習(xí)、究不得用商業(yè)用。Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse.僅供個用學(xué)習(xí)、究不得用商業(yè)用。Nurfürdenpers?nlichenfürStudien,Forschung,zukommerziellenZweckenverwendetwerden.Pourl'étudeetrechercheuniquementàdesfinspersonnelles;pasàdesfinscommerciales.僅供個用學(xué)習(xí)、究不得