相対湿度は、空気中の水蒸気の状態を「いまどれだけ水蒸気があるか」ではなく、その温度で飽和する状態にどれだけ近いかで表す指標です。
気象学では、相対湿度は基本的に実際の水蒸気圧 ÷ 飽和水蒸気圧 × 100で表します。米国気象学会も、相対湿度を「水蒸気圧と飽和水蒸気圧の比」と定義しています。気象庁の資料でも、相対湿度は飽和水蒸気圧に対する水蒸気圧の比として扱われています。
この式が成り立つのは、水蒸気圧が空気中に存在する水蒸気の量に対応し、飽和水蒸気圧がその温度で水蒸気が取り得る上限の状態に対応するからです。つまり、「現在値」を「その温度での上限値」で割ることで、飽和への近さを割合として表せるのです。
そもそも水蒸気圧とは何？
空気は、窒素、酸素、水蒸気など複数の気体が混ざったものです。それぞれの気体は、混合気体全体の圧力の一部を分担しています。この一つ一つの圧力を分圧と呼びます。
水蒸気圧は、空気中の水蒸気が担当している分圧です。空気中の水蒸気が多ければ、一般に水蒸気圧は高くなります。
NOAAの資料でも、actual vapor pressure は、その空気に実際に存在する水蒸気の分圧として説明されています。
水蒸気圧は「空気中の水蒸気がどれくらい存在するか」を物理的に表す量なので、相対湿度の分子として使うことができます。
飽和水蒸気圧とは何？
液体の水があると、水面からは水分子が蒸発し、同時に空気中の水蒸気分子が液体へ戻る凝結も起こります。
一定の温度で、蒸発する分子数と凝結する分子数がつり合うと、水蒸気は飽和した状態になります。そのときの水蒸気圧が飽和水蒸気圧です。
米国気象学会は、飽和水蒸気圧を、所定の温度・圧力で飽和した状態の基準となる水蒸気圧として扱っています。NOAAも、saturation vapor pressure をその温度で取り得る最大の水蒸気圧として説明しています。
大切なのは、飽和水蒸気圧が主に温度によって大きく変わることです。気温が高いほど飽和水蒸気圧は高くなります。
なぜ「実際の水蒸気圧÷飽和水蒸気圧」で飽和への近さが分かるの？
たとえば、ある温度で飽和水蒸気圧が20hPaだとします。その空気の実際の水蒸気圧が10hPaなら、飽和状態の半分に相当します。
この場合、相対湿度は次のように表せます。
10 ÷ 20 × 100 ＝ 50％
実際の水蒸気圧が16hPaなら、
16 ÷ 20 × 100 ＝ 80％
となります。
このように、分子に「現在の水蒸気状態」、分母に「同じ温度での飽和状態」を置けば、現在どれだけ飽和へ近いかを無次元の割合として表せます。
なぜ絶対的な水蒸気量ではなく「比」にするの？
空気中の水蒸気量だけでは、その空気が乾いているか湿っているかを十分に判断できないことがあります。理由は、飽和できる水蒸気の量が温度によって変わるからです。
同じ水蒸気量でも、低温の空気では飽和に近く、高温の空気では飽和から遠いことがあります。
そこで、現在の水蒸気量だけを見るのではなく、「その温度での飽和状態」と比べます。この比較によって、温度の違いを含めた「飽和への近さ」を表せます。
相対湿度が日常の天気予報で広く使われるのは、空気が飽和にどの程度近いかを0〜100％程度の分かりやすい尺度で示せるからです。
水蒸気圧を使うと何が便利なの？
水蒸気圧は気体として存在する水蒸気の物理量なので、温度から計算される飽和水蒸気圧と直接比べることができます。
気象庁の推計気象分布でも、相対湿度を作る際に、まず水蒸気圧を推計し、それを気温から求めた飽和水蒸気圧で割る方法が使われています。
この方法なら、「実際にどれだけ水蒸気があるか」と「その地点・その温度でどこまで入れば飽和するか」を別々に扱えます。
気温が異なる地点を比べたり、時間変化を追ったりするときにも、この二つを分けて考えると仕組みを理解しやすくなります。
なぜ気温が上がると相対湿度が下がることがあるの？
実際の水蒸気圧がほぼ一定でも、気温が上がれば飽和水蒸気圧は増えます。
相対湿度は「実際の水蒸気圧÷飽和水蒸気圧」なので、分子が変わらず分母だけが大きくなれば、値は小さくなります。
たとえば、水蒸気圧が10hPaのままで、飽和水蒸気圧が20hPaから25hPaへ増えれば、相対湿度は50％から40％へ下がります。
これは、空気中の水蒸気が減ったわけではありません。気温上昇によって「飽和までの余裕」が大きくなったためです。
なぜ気温が下がると相対湿度が上がるの？
反対に、実際の水蒸気圧がほぼ一定のまま気温が下がると、飽和水蒸気圧は小さくなります。
分母が小さくなるため、相対湿度は高くなります。
夜から明け方に気温が下がると湿度が高くなりやすいのは、この仕組みが大きく関係しています。
さらに気温が下がって、実際の水蒸気圧と飽和水蒸気圧が等しくなると、相対湿度は100％です。この温度が露点温度です。
相対湿度100％はどういう状態？
相対湿度100％は、実際の水蒸気圧と飽和水蒸気圧が等しい状態です。
式で表すと、
水蒸気圧 ÷ 飽和水蒸気圧 × 100 ＝ 100％
です。
この状態では、その温度で空気が水蒸気によって飽和しています。さらに冷却されたり、水蒸気が加わったりすると、条件によって水蒸気の一部が凝結し、露、霧、雲などにつながります。
気象庁も、「飽和する」を相対湿度100％の状態と説明しています。
相対湿度は100％を超えないの？
通常の天気予報や日常的な湿度表示では、相対湿度はおおむね0〜100％の範囲で考えます。
しかし大気中では、微小な水滴ができるまでに時間がかかる場合などに、実際の水蒸気圧が飽和水蒸気圧をわずかに上回る「過飽和」が生じることがあります。
この場合、定義上は相対湿度が100％を超える状態です。
ただし、地上の通常の湿度観測や日常的な説明では、100％を飽和の基準として扱うのが基本です。
「水蒸気量の比」と「水蒸気圧の比」は同じなの？
初心者向けの説明では、相対湿度を「実際の水蒸気量÷その温度での飽和水蒸気量」と説明することがあります。気象庁の用語集でも、この表現が使われています。
一方、より厳密な気象学の定義では、水蒸気圧と飽和水蒸気圧の比が使われます。
気体では、同じ温度・体積の条件で、水蒸気の分子数が増えるほどその分圧も高くなります。そのため、一定条件のもとでは水蒸気量の比と水蒸気圧の比はほぼ同じ意味で扱うことができます。
米国気象学会は、水蒸気圧比による定義のほか、混合比と飽和混合比の比でも高い精度で相対湿度を求められると説明しています。
なぜ「空気が水蒸気を抱えられる」という表現には注意が必要なの？
日常の説明では、「暖かい空気ほど多くの水蒸気を含める」と表現されることがあります。直感的には分かりやすい説明ですが、空気が容器のように水蒸気を抱え込んでいるわけではありません。
飽和水蒸気圧は、水と水蒸気の間の平衡が温度によって変わることで決まります。
温度が高いほど、水面から気体へ移る分子が増え、平衡状態で必要な水蒸気圧も高くなります。その結果、飽和水蒸気圧は気温とともに大きくなります。
「暖かい空気ほど水蒸気を多く含める」という説明は、この平衡関係を簡略化した表現だと考えると正確です。
相対湿度だけでは水蒸気量そのものは分からない
相対湿度は飽和への近さを表す値なので、同じ50％でも気温が違えば実際の水蒸気圧は異なります。
気温が高いと飽和水蒸気圧が大きいため、その50％に相当する水蒸気圧も高くなります。
反対に寒い空気では、相対湿度が高くても実際の水蒸気圧が低いことがあります。
このため、空気中に実際にどれくらい水蒸気があるかを比較したい場合には、水蒸気圧、露点温度、比湿など別の指標も使われます。
相対湿度の式から分かる三つのこと
- 水蒸気圧が増え、気温が同じなら相対湿度は上がる
- 水蒸気圧が同じで気温が上がれば、飽和水蒸気圧が増えて相対湿度は下がる
- 水蒸気圧と飽和水蒸気圧が等しくなれば相対湿度は100％になる
この三つを押さえると、暖房で湿度が下がる理由、夜に湿度が上がる理由、露点で結露が始まる理由なども一つの式から理解できます。
まとめ
相対湿度が水蒸気圧と飽和水蒸気圧の比で表せるのは、水蒸気圧が現在の水蒸気状態を表し、飽和水蒸気圧が同じ温度での飽和状態を表すため、その比を取れば「飽和へどれだけ近いか」を無次元の割合として示せるからです。
相対湿度は、単なる水蒸気量の多さではありません。気温によって変わる飽和水蒸気圧を基準にした相対的な値です。
だから、同じ水蒸気圧でも気温が上がれば相対湿度は下がり、気温が下がれば上がります。そして、水蒸気圧と飽和水蒸気圧が一致したとき相対湿度は100％になります。
この式を理解すると、相対湿度が「なぜ％で表されるのか」「なぜ気温で変わるのか」「なぜ露点や結露とつながるのか」を一つの仕組みとして理解できます。
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