相对湿度:平均还是不平均?
通过德克贝克|更新日期:01/30/2020 |评论:2
你是否曾被告知不要计算平均相对湿度(RH)?你是否曾经创建了一个数据记录器程序与捷径，并注意到它不允许你平均RH时，你生成你的数据表?你知道为什么吗?
在这篇博客文章中，我将简要描述为什么你不应该平均RH的原因，并分享一些数据来说明其含义。
背景
让我们从相对湿度的定义开始。大多数文本和在线资源定义相对湿度，如下所示：
在哪里e观察到/测量到的蒸气压和e年代是饱和蒸气压。然而，蒸气压可能不是最直观的概念。简单地，相对湿度是观察到的空气量中观察到的水量除以空气可以在不产生沉淀的情况下保持的最大水量。这种饱和点是高温依赖性的。
Lowe（1976）1描述了计算饱和蒸汽压的模型如下:
在哪里T为摄氏温度，拟合系数的值(α)如下:
虽然有其他方法可以考虑的饱和蒸气压力，但低于坎贝尔科学数据记录器中使用的Lowe模型，因此我将在本文的目的上将我的讨论限制在该方法中。
在给定的数据间隔内，RH的简单平均值有两个原因通常不是最佳实践。首先，RH是计算值。数学家和统计学家建议我们最好在平均值等操作中使用原始数据，然后计算所需的值。此外，RH通过定义限制为零和100之间的值。因此，在那些上限和下限附近的值不能像朝向中间的那些一样变化，这违反了统计假设。
第二个也是更重要的原因是RH值会随着温度迅速变化，尤其是在较高的温度下。图1给出了基于Lowe模型的温度与饱和蒸汽压的关系。
特别值得注意的是，饱和蒸汽压在温度较高时变化更快。因此，相对湿度在较高温度下的简单算术平均可能有较大的误差。在较长的时间间隔内平均也可能导致更大的误差。
如何正确平均RH
在给定的时间间隔内，获得平均相对湿度的首选方法是将蒸汽压和饱和蒸汽压取平均值，然后从这些平均值计算出相对湿度。这里有一个链接下载CRBasic程序那样做。在每次扫描期间，该程序计算蒸气压和饱和蒸气压，然后将蒸气压平均值存储在临时隐藏的表中。然后将这些值用于计算RH，所有值存储在主小时表中。
为了说明两种计算平均相对湿度(简单的算术与平均蒸汽压)的方法之间的差异，我从犹他州洛根坎贝尔科学设施附近的气象站收集了大约17个月的数据。使用了一个类似于上面描述的程序，数据按四个间隔存储:
- 30分钟
- 1小时
- 3个小时
- 24小时
图2显示结果：
如果这两个方法是相同的，我们希望所有的数据点都在红色的1:1线上。对于半小时和每小时的间隔，有很好的一致性。然而，对于较长的时间间隔，误差会显著增加。有趣的是，至少在这些数据中，由于简单平均而产生的误差几乎总是会导致正向偏差。换句话说，简单的算术平均几乎总是高估了平均相对湿度。
世界气象组织(WMO)2和美国国家气候学家（AASC）协会两者都建议RH测量中的不确定性（错误）小于3％。在最坏的情况下，由于平均RH引起的错误将是传感器错误的附加。例如，如果传感器规范在大部分范围内的2.3％内，则需要限制为小于1％的任何额外错误，以保守符合WMO和AASC建议。
表1显示平均方法(简单平均减去蒸气压平均)的一些统计差异，包括平均值、最大值和最小值，以及一些百分比。50%的数据在25到75个百分点之间，95%的数据在2.5到97.5个百分点之间。
表1。简单平均蒸气压与平均蒸气压之差比较
| 间隔 | 最低限度 | 2.5百分位数 | 25百分位 | 的意思是 | 75百分位 | 97.5个百分 | 最大限度 |
半小时 |
-0.210 |
-0.015 |
０．００１ |
0.056 |
0.052 |
0.393 |
5.153 |
小时 |
-0.430 |
-0.016 |
0.006 |
0.126 |
0.140. |
0.782 |
5.663 |
三个小时 |
-1.026 |
-0.032 |
0.057 |
0.495 |
0.651 |
2.369 |
7.065 |
每天 |
-0.937 |
-0.128 |
2.270 |
5.164 |
8.033 |
11.277 |
14.829 |
对于半小时和每小时的间隔，大多数数据的误差都在1%以内。因此，根据您使用的传感器和数据的目的以及其他考虑因素，对于这些间隔，简单的平均值可能是可以接受的。然而，较大的间隔显示出很大的偏差，说明简单的相对湿度平均值并不能很好地代表数据。此外，值得注意的是，对于许多需要存储其他指标(如露点或简单地说，蒸汽压)的数据来说，这可能会提供更多信息。
我希望这能帮助你明白为什么从数学和统计的角度来看，平均相对湿度通常不是一个好主意，同时也有实际的原因。如果你真的需要一个平均相对湿度，特别是在较长的时间间隔内，更好的做法是使用平均观测和饱和蒸汽压来计算每个时间间隔内的相对湿度。欢迎您修改下载示例程序如所须。或者，只需存储观察到的蒸气压和温度（在坎贝尔科学数据记录器中容易完成）。根据这些，如果需要，可以在后处理中计算相对湿度和露点。
如果你对平均相对湿度(RH)有任何问题，请在下面提出。
1劳,1976年公关。计算饱和蒸气压的近似多项式。应用气象学杂志16: 100 - 103。
2世界气象组织。气象仪器指南和观察方法．[WMO-No。8]。日内瓦，瑞士:s.n.， 2014。
关于作者
Dr. Dirk V. Baker，坎贝尔科学公司环境组应用研究科学家。万博matex网页登录他们感兴趣的领域包括生态学、农业和气象学等。他拥有科罗拉多州立大学野生动物生物学学士学位和杂草科学博士学位。德克的研究生和博士后研究集中在测量和模拟风力驱动的植物扩散。
评论
克莱顿|03/12/2020在PM 04:12
谢谢你非常丰富的文章贝克博士。我对有关含有颗粒物质的空气的说明有一个问题。我们是一个主要专注于加州沙漠中逃亡逃离烟尘释放的航空监测机构。您建议的蒸气压平均技术可以引入更多的错误，而不是计算一个非常多尘环境的RH的简单均值平均值？我们只意识到升级数据监唱者的平均RH问题并发现短切不支持此计算。另一个因素是，我们的代理商始终在过去计算每小时意味着RH，因此有不愿意改变方法。
德克|2020年3月13日12:34 PM
嗨克莱顿，谢谢你的评论，我很高兴你找到了文章的信息。我不认为预期尘土飞机会如何改变平均RH应该如何计算。我肯定会理解改变长期练习的不愿意。一种方法可以是存储两个简单的平均RH，并且从平均蒸汽压力计算出来的时间，看看您的位置有多少差异以及在决策中会产生什么影响。从那里，你会有一个坚实的基础，决定改变你的做法。
我希望这能有所帮助，如果我们能提供进一步的帮助，请不要犹豫联系我们。
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