欢迎批判--水汽的运动比空气快61%？

张学文，20190228

气象学历来认为在自由大气中，水汽散布在干空气中，它与空气是一起运动（没有饱和以前）的。它们的运动速度（即风速）应当是相同的。

今天我对此质疑。我考虑水汽应当比空气运动的快。

似乎应当快61%.这个认识对吗？

欢迎物理、气象学专家指正！

对此我这样考虑的：

1.        我承认水汽是混合在空气中的。其实大家都承认它们可以看作是理想气体单独存在，而且都符合理想气体的状态方程。

2.        大家都承认在自由大气中（距离地面1.5公里以上的空中）全球大气的运动基本符合地转风关系。而这是一种没有加速度的平衡的运动。地转风对应的运动是气压梯度力与地转偏向力维持平衡条件下的空气的平稳的、显著的空气运动。

3.        现在我们具体分析空气与水汽对地转风公式的运用。让我们在一个等高面上讨论问题（注意不是气象学经常用的等压面上）。而我们知道此时的地转风的速度与气压水平梯度成正比例，与空气密度成反比例。具体公式我就不列出了。

4.        我们应当承认大气压力是一种与面积成正比例的力。它不是与质量成正比例的力。所以单位横截面上的干空气与水汽它们受到的压力是相同的，对吧！

5.        为了分析问题，我们不妨根据水汽的数量计算出在相同压力下水汽占有相对体积，既此体积内都是水汽分子，但是它的温度、压力与原空气温度、压力相同。既此体积内的水汽与另外体积内的干空气混合（相同温度、相同压力）就是原来的湿空气。（就此可以设计一个理想实验：在标准状态下，取一根24升大的盒子，装入1摩尔空气，再把盒子内设一个隔离区，并且让它的温度、压力与其他部位相同，最后我们把水分子集中到这个隔离区，把空气赶出去）

6.        而根据理想气体的状态方程我们知道，如上的小体积内虽然与余下的干空气具有相同的压力、相同的温度，但是依据理想气体的状态方程，水汽的密度却比空气小，对吗？（1摩尔的水汽只有18克，空气是29）

7.        好，现在我们把地转风平衡的公式用到仅由水汽分子组成的小体积内。显然根据地转风公式，在大气压力梯度相同而水汽密度比空气小的情况下，水汽分子的地转风风速就比干空气地转风的风速大。

8.        由于空气的分子量是29，水汽是18，相同压力相同温度下的水汽密度与空气的比值是18/29，而地转风公式中气体密度在分子部位，所以水汽的地转风风速与干空气的地转风风速的比值是29/18=1.61，即水汽在伴随空气做水平运动时，其方向相同但是速度却快了61% ！

9.        如果本分析正确，那么我们过去用风速乘以比湿再乘以空气密度的计算水汽通量的结果几乎是面目全非了。