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中国北京与世界的经纬线科学测量——北京中轴线的子午卯酉与经纬历史(3)

2023-7-8 08:22| 发布者: weiwei |原作者: 王锐英|来自: 北京桥梁

摘要: 北京子午线即经纬线测量历史全面的子午线即经纬线的测定应该包含三个因素:正南北(即正东西)方向的确定、经度数据和纬度数据的测定。(1)正东西南北定向其中正南北(正东西)方向,在中国是通过“圭表测影”确定 ...
北京子午线即经纬线测量历史
全面的子午线即经纬线的测定应该包含三个因素:正南北(即正东西)方向的确定、经度数据和纬度数据的测定。
(1)正东西南北定向
其中正南北(正东西)方向,在中国是通过“圭表测影”确定的,古已有之,在中国最为悠久,如《尚书•尧典》记载:(帝尧)“乃命羲和,钦若昊天,历象日月星辰,敬授人时。”《周礼•考工记•匠人》记载:“匠人建国,平地以悬,置槷以悬,视以景。为规,识日出之景与日入之景,昼参诸日中之景,夜考之极星,以正朝夕。”这应该是最早的真子午线观测,并发展出基于赤道坐标系的二十八宿和二十四节气体系。
(2)纬度测量
中古以前的纬度数据,在古代中国一般通过圭表测影和北极星高度(角)观测计算,在中国先秦就有《周髀(bì)算经》详细记载了圭表测影定地中和纬度测量。唐开元十二年(724),僧一行组织了一次天文大地观测,实质是纬度和子午线长度测量。到了元至元十六年(1279),郭守敬主持了一次天文大地测量,也是纬度测量。如《元史》记载的四海测验:“大都,北极出地四十度太强,夏至晷景长一丈二尺三寸六分,昼六十二刻,夜三十八刻。”其意为:元大都的纬度按北极星高度测定40度多一点,“太强”即稍大。按夏至晷影测定,一天100刻,则白日长62刻(14小时52分48秒),黑夜长38刻(9小时7分12秒)。
按:全天100刻,按地支“子丑寅卯辰巳午未申酉戌亥”等分为12个时辰(1个时辰相当于今2小时即120分钟,如子时即夜间11时至1时,丑时为1时至3时,寅时为3时至5时,卯时为5时至7时,此时上班打卡,谓之点卯;余者类推。)每个时辰再分为8刻,共96刻,余4刻,每刻为今14.4分钟,这就是古代的一刻钟长度。将所余4刻每刻再分为6段,得24微刻,1微刻等于现今2.4分钟即2分24秒,2微刻不足5分钟。将24微刻分给12个时辰,各得2微刻(2微刻或许合称为1小刻,实则为1刻的1/3为一份,4刻共分为12份)。最后各时辰有8大刻2微刻(1小刻)。北宋至明末,将各时辰分为“初”、“正”前后两段,称为小时(即今“小时”的起源),初、正分取2微刻,各得1微刻,最后各时辰的初、正,各有4大刻1微刻。在微刻之前置四大刻,还是在微刻之后置四大刻,各时代有所不同。清初及之后,实行全天96刻制,不再设微刻,则一个时辰为8刻钟,半个时辰即一个小时为4刻钟,每刻钟为15分钟。此即为今日钟表时刻的来历。
元代
根据史料,元朝建太史院设观象台安置天文仪器做天文大地测量,用以研制和颁行新历。据北京考古所徐苹芳先生研究,元朝太史院的位置在今天北京建国门内五号中国社会科学院内,其经度为东经116°26′17″。实际上,考虑到测影地点应在元大都(包括金中都旧址)范围内,而金中都西城墙经度约为东经116°21′21″,元大都东城墙经度约为116°26′30″,在这个范围内,不同经度值对应的正午太阳赤纬相差在1″以内。今日观象台经纬度:东经116⁰26’05”,北纬39⁰54’27”。(来自“《授时历》圭表影长数据测量地点考”,2019-01-25孙小淳,中国科技史杂志。)
明代
明嘉靖三十四年(1555)的《广舆图》《北直隶舆图》上绘有计里方格网,与宋绍兴六年(1136)的石刻《禹迹图》相类,虽然与经纬度无关,但与子午线有联系,因取东西南北为正方向。后有明崇祯九年(1636)的《皇明职方地图》《北京地图》,以及清光绪年间的《京城内外全图》等后世地图,皆延续此种画法,无疑对于经纬线的标注应是一大启发。
(3)经度测量
说到经纬度须有数据,而经度是相对数据,需要明确本初0度经线和东西各地相差度数,这一点在东西方天文大地测量中出现的最晚,西方比中国要早一些,中国则到了明代才知晓。
只有明确了经度概念和观测方法,才能确切地说明子午线与中轴线的空间关系,而真正将北京城与子午线观测首先联系起来的是在明代。万历八年(1580),意大利传教士利玛窦来到中国,进行了经纬度的测量,并将测量的数据公开发表,西方的经纬度概念和测量方法在我国开始传播。到了明朝末年,徐光启在崇祯三年至六年(1630-1633)进行了大地测量,推算了当时两京十三布政司的经纬度,这是我国第一次利用由西方传入的经纬度概念和测量方法进行的经纬度测量。据李伟群《利玛窦在汉语外来词上的贡献:“子午线”“经线”“纬线”等》一文及相关资料看,利玛窦之后到徐光启,在经纬度测量中已经将北京所在子午线明确为“中经线”(相当于本初0度线),纬度测定为北纬40度。(见下表)而且明代的经纬度观测原点应在北京古观象台(今建国门立交桥西南角),因为天文测量仪器在古观象台上,为图方便同时也是司天监职司所在,故以观象台为原点是不言自明的。但是如果仅仅有一条经度线,可以说也就仅仅是一条子午线而已,还不能确定其作为东西经度的本初地位。那么,利玛窦和徐光启时代是否明确提出本初子午线了吗? 


世界上最早提出经纬度概念的是古希腊学者,最早的本初子午线出现在15世纪出版的托勒密的世界地图上,原点即现大西洋中非洲西北海岸附近的加那利群岛。
中国明代绘制的世界地图《坤舆万国全图》估计受到其影响,其本初子午线(图中记为360度)也被定在此处(福岛),而且紧贴非洲大陆的边缘,这也是亚欧非大陆板块的最西边,也是当时人们所认知的世界最西端。 

中国北京与世界的经纬线科学测量——北京中轴线的子午卯酉与经纬历史(3)
《坤舆万国全图》是中国第一幅完整的带经纬线的世界地图。
据说此图是明代万历年间的西方传教士利玛窦和李之藻合作绘制的,是中国最早的彩绘世界地图。其初绘年代不清,一说绘于万历三十年(1602)。但据李兆良考证,该图有可能绘制于1430年之前,数据来源于郑和航海资料。该图原本在国内渐渐失传,直到1922年,这幅图的临摹版出现在北平的古董市场上,方为人所知。整个地图自西向东由0度到360度,每隔10度绘一条经线,尚未划分东经、西经。中国被置于中间偏左,并没有放在地图中心,北京经度约在129度,纬度正好在北纬40度。赤道线标注为“赤道 昼夜平线”,北回归线注为“昼长线”,南回归线记为“昼短线”。
有一张附刊在1625年英国出版《帕恰斯的朝圣之旅》一书的中国明朝全国地图,名为《皇明一统方舆备览》,标记了经纬线,北京地区的经度约为130-131度,北纬40度,与《坤舆万国全图》很接近。还有卫匡国在其来华时期(1643-1651)绘制的《中国新地图集》,正值明清交替之际,其中有超过一千五百个地名,标注北京为顺天府(Xuntien)的经纬度为北纬40度、经度0度。这两张地图应是中国最早采用经纬网的全国地图。
清代
北京0度子午线的概念传承到了清康熙四十七至五十七年(1708—1718),当时采用西方测绘技术并结合中国传统,进行了更大规模的全国范围的大地测量,据此编绘了《康熙皇舆全览图》,比例约为1:140万。据巴黎耶稣会士杜赫德于1735年在巴黎编辑出版的《中华帝国全志》等文献记载和分析,此次测量了641个测绘点的经纬度值,其中北京坐标点也就是古观象台,与云南省昆明县观测点成为两处至今能够确认的原测经纬度确切点位,具有重要的科学研究价值。 

此次测定北京纬度为39⁰55’00”(按此数值如今在故宫太和殿前汉白玉三层台基的第一层平台位置),经度为00⁰00’00”(见上图),有学者对此探讨过是否为北京中轴线的经纬度,经过分析推算确认为当时的北京古观象台的子午线,即北京本初子午线。有记载:“康熙五十三年(1714)十月己巳,谕和硕诚亲王允祉(即胤祉)等,北极高度、黄赤距度于历法最为紧要,著於澹宁居后每日测量。寻奏,测得畅春园北极高三十九度五十九分三十秒,比京城观象台高四分三十秒,黄赤距度比京城高二十三度二十九分三十秒。报闻。”可以计算出观象台纬度即为39⁰55’00”(观象台今经纬度为:116⁰26’05”,39⁰54’27”),不仅较40度精确一些,其数据还能够精确到秒,这是北京纬度第一个精确到秒的数据。
清末刊印的《大清帝国全图》的《凡例》亦明确记载,“图中经度以京师观象台为中线。”由此确定《康熙皇舆全览图》是以今北京古观象台为当时开展全国测绘的本初子午线,比1884年国际子午线会议确定通过的以“英国格林尼治天文台的经线作为本初子午线”要早170多年。这条线虽然不是中轴线,但也是距离中轴线最近的数据了。
就在精确测定北京经纬度的同一年,1714年7月8日,英国政府正式颁布了一项“经度法案”,规定凡是有办法在地球赤道上任一点,能够将经度准确测定到半度范围内的人,将奖励2万英镑;将经度确定到三分之二度范围内的人,奖励1.5万英镑;将经度确定到一度范围内的人,奖励1万英镑。自此开启了长达60年的一场科学竞赛,即为大洋上的航船精确测定经度位置,直到1773年6月,以精准钟表(标准钟)获胜的哈里森得到了这笔奖金。由此可对比中国与西方的子午线测量发展历程及其相关性,可以说自从首批来华传教的天主教耶稣会士开始,他们就把绘制中华帝国的地图作为一项重要任务来对待,但面对中华帝国的辽阔国土来说,任何中国地图的绘制,无论内容还是技术,都应是东西方相互结合的成果。
1737年,有两张地图值得关注。一张较大,是《 Province de Pe-Tche-Li(Map of Bei Zhili)北直隶省地图》(选自《中国新地图集》),[法]让·巴蒂斯特·当维尔编绘,1737年荷兰海牙墨印本,法文版。(《北京古地图集》)图中标注经纬度(线),从图中可看出北京位于北纬39⁰、本初0度经线上,是对康熙北京本初子午线的确认。 


《 Province de Pe-Tche-Li(Map of Bei Zhili)北直隶省地图》

另一张较小分为6个栏框,是《Villes de la Province de Pe tche-Li 北直隶省城市地图》,源自杜赫德(Jean-Baptiste Du Halde)将经过实测的北京城墙外形轮廓和中国地理版图编绘成图,并编入《中华帝国志》一书,1735年出版。其中有文字注释记录了北京城两个北纬度值:一个是39度54分(约当今正阳门城楼和箭楼中间的道路南侧人行道位置),并同时说明距离巴黎以东有7小时7分钟的时差,此数据较39⁰55’进了一步。一个是39⁰52’54”(约当今国家自然博物馆南侧170米、南纬路东口以北70米位置)。 


《Villes de la Province de Pe tche-Li 北直隶省城市地图》

到了乾隆十四年(1749年),施莱·迪勒(Schley Direr)绘制了《北京平面图》(法语:Plan de la Ville de Peking.荷兰语:Grondtekening der Stad Peking.),原图现藏美国哈佛大学图书馆,该图标注了清代北京城耶稣教会的相关建筑,地图采用法德双文注记,内城注记鞑靼城,外城注记中国城,记载了满汉分居的历史。特别是图中都注明北京纬度(缺经度):
见下图,天头:Capitale de L'empire de la Chine situee par les 39d 54m de Lat Septle 中国帝国首都纬度为39度54分。地脚:Hoofdstad van China,op 39 Graaden en 54 Minuuten Noorderbreedte 中国首都北纬39度54分。这张地图虽然没有绘制经纬线,但却是标记北京纬度数据和比例尺的第一张北京城地图。 
图片
《北京平面图》(1749年),施莱·迪勒绘制
紧接着过了一年,重量级的《乾隆京师全图》测绘完毕,可惜没有标记经纬度。到了1752年,出现了第一张带经纬线的《北京内外城图》,目前看来也是现存最早的带经纬度标尺标线的北京地图。(详见下期介绍)

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