郭守敬四海测验与黄岩岛 郭守敬简介


郭守敬四海测验

早在北齐年间,邢台清河的天文学家张子信就曾经在海岛上孜孜不倦的做了连续30年的天文观测工作,到了唐代,邢台巨鹿的天文学家僧一行领导了全国范围的天文大测量,僧一行命令南宫说带领人员北起蔚州(今河北蔚县东北)、太原、南至安南都护府(今越南河内市)、林邑(今越南顺化),在全国范围内设置13个测量点,进行不同地区北极高度的实测,这是世界上第一次对地球子午线进行实测。元代邢台籍科学家郭守敬继承了本地天文学家“观象授时”的传统,他于至元十六年(1279年3月14日)向忽必烈提出在全国范围进行大规模天文测量的建议。他指出唐朝开元年间天文学家僧一行曾命令南宫说带领一组人员,在全国13处观测点进行天文测量,现今元代的疆域比唐代还大,若不分赴各地进行实测,就不能了解日月食的时刻和食分数,各地昼夜长短的差距,日月星辰在天球上的位置等等,忽必烈听后非常赞同,并马上批准实施。由此四海大测验拉开帷幕。史书记载:公(郭守敬)因奏:“唐一行开元间(723)令南宫说天下测景,书中见者凡十三处。今疆宇比唐尤大,若不远方测验,日月交食分数、时刻不同,昼夜长短不同,日月星辰去天高下不同,即目测验,人少,可先南北立表,取直测景。”上(忽必烈)可其奏。遂设监候官一十四员,分道而出。”(齐履谦:《知太史院事郭公行状》)。

郭守敬经过认真规划和测算,决定在东起朝鲜半岛、西低川滇和河西走廊、南及南海(今中沙群岛黄岩岛附近),北达西伯利亚,设立27个观测点,并分拨派遣测量队伍,派了4个监侯官负责,分道而出,开始了空前规模的四海大测验。史书记载:“东至高丽,西极滇池,南逾朱崖,北尽铁勒,四海测验,凡二十七所。”(宋濂等:《元史·郭守敬传)

郭守敬本人也在忽必烈批准后不到1个月,就亲自带领人马从大都出发,先到上都,再折返向南,经过阳城等处,一直到达广州和南海,他不辞辛劳,亲自动手观测天象,还在沿途设计指导建设观测站,等他到达广州,去南海测量时,已经是第二年的三月了,时间整整过去了1年。通过对27个观测点的实测,都测出了夏至的日影长度和昼夜的时刻数,并测出了北极的出地高度,也就是当地的地理纬度,同现代所测比较,有9处误差小于0.2°,20处平均误差0.35°,其中2处和现代完全吻合,整体而言,都非常准确。用记载的夏至圭影长度资料计算出的北极出地高度和黄赤交角,以大都为例,同今天所测的北京的地理纬度39°55′和当时的黄赤交角理论值23°32′1″相比,仅差3′2″和27″,如此微小的差距实在惊人。《元史·天文志》称“是亦古人之所未及为者也”。

郭守敬的四海测验是规模宏大影响深远的,他从中国南海到西伯利亚,从朝鲜半岛到川滇及河西走廊,南北总长一万多里(北纬15°至北纬65度),比邢台唐代天文学家僧一行的测量范围(北纬17°至北纬40°)高出一倍多,东西绵延五千多里(东经128°至102°),其地域之广、规模之大,以及测得数据之精,在我国历史和世界历史上都是空前的无可比拟的天文测量壮举。他比西方成立维度局开始实地测量早了602年。

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 《元史·天文志》记载的“四海测验”中“南海”的数据为:“南海,北极出地一十五度,夏至景在表南,长一尺一寸六分,昼五十四刻,夜四十六刻。”就是说,在“南海”这个观测点,北极的地平高度为15度(古度);夏至这天的8尺表的影子在表的南边(太阳在头顶的北边),影长1.16尺,白天的长度是54刻,夜间的长度是46刻。

  这三个测量值均与观测点的地理纬度有关。夏至影长为1.16尺,最小读数为0.01尺(分),则可以认为测量误差为0.005尺,这样夏至影长的相对误差是0.005/1.16=0.4%,这也是纬度的相对误差。北极的地平高度为15度(古度),最小读数是1度,故认为其测量误差为0.5度,则相对误差是0.5/15=3%,这也是纬度的相对误差。而昼夜长度随纬度的变化很缓慢。这样,确定纬度可以使用夏至影长和北极出地两个数据,而使用夏至影长则精度更高。
郭守敬四海测验与黄岩岛 郭守敬简介

  在至元十六年夏至日(1279年6月15日),对于给定地理经度和纬度,可以算出太阳上中天的地平高度,由此求出夏至影长;而在夏至日午夜(大都时),计算出北极星(小熊α)的地平高度;由此得到夏至影长和北极出地的计算值与观测值的卡方;从而得到卡方最小时的纬度和经度及其误差。具体结果为:地理纬度为15.02度,1倍标准差范围为14.99-15.05度,地理经度的1倍标准差范围为106.75-118.90度。查南海地图,可知上述计算结果为:纬度线恰好经过黄岩岛南侧,东至九段线处,西至老挝。实际在15度的纬线上,仅有黄岩岛可以作为测量点。中沙黄岩岛的纬度在15.10-15.23度之间,与计算值相比在3倍标准差之内。因此郭守敬“四海测验”的“南海”观测点就是在黄岩岛上。

郭守敬四海测验观测站今古对照表
观测点现代对应的地点元测纬度现测维度
南海西沙及中沙群岛以南或东南15 
衡岳湖南衡阳衡山附近24.6 
岳台河南开封市区西部宋浚仪县岳台坊34.5 
和林蒙古国乌兰巴托西南鄂尔浑河上游右岸额尔德尼桑图附近喀拉和林44.4 
铁勒俄罗斯贝加尔河西部叶尼塞河上游安加拉河一带54.2 
北海俄罗斯西伯利亚中部通古斯卡河一带64.1 
大都北京市40.239.9
上都内蒙古自治区正蓝旗闪电河北岸兆乃曼苏默42.642.4
北京辽宁省宁城西北大明城41.541.6
益都山东省益都县36.736.7
登州山东省蓬莱37.737.8
高丽朝鲜开城37.7 
西京山西大同39.740.1
太原山西太原37.737.8
安西府陕西西安34.134.3
兴元陕西汉中33.133.1
成都四川成都31.130.7
西凉州甘肃武威39.5 
东平山东东平35.235.9
大名河北大名东35.536.3
南京河南开封34.334.8
阳城河南登封告成镇之北34.234.4
扬州江苏扬州32.532.4
鄂州湖北武汉市武昌31.130.5
吉州江西吉安26.127.1
雷州广东海康20.520.9
琼州广东海口南琼山19.520






四海测验之登封天文台

  

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