第19章 第一節郭守敬與元代的緯度測量

郭守敬(公元1231—1316年)，字若思，順德邢台(今河北邢台市)人。他的祖父郭榮學識淵博，精於算數與水利，對郭守敬的成長影響很大。郭榮還使郭守敬師從精通天文、地理、律曆的劉秉忠。中統三年(公元1262年)，郭守敬因熟悉水利而受到元世祖忽必烈的召見，此後即被委派為負責水利的官員。至元十三年(公元1276年)，郭守敬調任太史局(後改為院))，負責編制新歷，在此期間組織了“四海測驗”，對全國的緯度進行了空前規模的實測。至元十七年(公元1280年)編成了著名的授時歷。此後，郭守敬還主持開通了通州至首都大都(今北京市)的運河。 郭守敬受命編制新歷後，就認識到“歷之事，在於測驗，而測驗之器，莫先於儀表”(曆法的製訂主要依靠實際測量和檢驗，而測量、檢驗的工具又取決於儀表)。正因為如此，他首先致力於創制“儀表”，即簡儀、高表、仰儀、立運儀、景符等十幾種專用儀器，還為野外觀測設計了丸表、懸正儀、座正儀等儀器。這些儀器具有精確、靈巧、簡便的優點，對這次大規模的測量起了重要作用。

以郭守敬為首的14名官員和大量測量人員在南北長11000裡，東西寬8000裡的遼闊範圍內布下了27個觀測站，又在其中精心選出七個比較重要的點：南海(今越南中部)、衡嶽(今湖南衡山)、岳台(今河南開封)、和林(今蒙古鄂爾渾河上游東岸哈爾和林)、鐵勒(今俄羅斯境內安卡拉河、葉尼塞河地區)、北海(今俄羅斯下通古斯卡河下游)和大都(今北京市)。除大都是首都外，其餘六個點從南到北代表了各大區域，相鄰兩點緯度的間隔都是10度。在這些點所作的觀測項目都較其他點齊全。為保證資料的可靠性，在中原地區加密了觀測站，這些站集中在北緯40度至30度的範圍。為了顧及東西的差異，還選取了高麗(今朝鮮開城)和西涼州(今甘肅武威市)。將這些站的北極出地值(即北天極的地平高度，亦即緯度)和它們現在測得的實際緯度相對照(見下表)，可以看出，中原地區觀測站的差值比較小，特別是陝西四川行省三個點、河南行省四個點和中書省直轄地三個點的差值分別是5'、12'和23'，其中岳台(今河南開封市岳台坊)完全沒有誤差。衡嶽的差值最大，達2°23'，可能是古今的觀測點不在一處造成的。用當時的儀器和技術能達到這樣的結果，是非常先進的水平。

遺憾的是，這一重大成果僅運用於曆法的編制，卻沒有能用之於地圖測繪。 據《元文類·郭守敬傳》記載，他在今寧夏時，曾想乘船溯黃河而上，考察河源。又曾從孟門以東，沿著黃河故道在方圓數百里的範圍內測量地平面，以決定哪裡可以分流減少水患，哪裡可以引水灌溉，這些都畫有地圖。他還曾用海平面來比較大都與汴梁(今河南開封市)的地勢高低之差，認為汴樑的水高出海平面很多，所以流速相當快；而大都的水高出海平面少，流速就慢得多。這是我國以海平面為水準測量高程起算面最早的文字記錄。郭守敬從理論上認識了海平面，並把它作為測量高程的起算面，對大地測量和地圖的繪製都做出了重大貢獻。