立杆测影——二十四节气与天文历法的源流

立杆测影——二十四节气与天文历法的源流

圭表是古代汉族科学家发明的度量日影长度的一种天文仪器，由“圭”和“表”两个部件组成。圭表直立于平地上测日影的标杆和石柱，叫做表；正南正北方向平放的测定表影长度的刻板，叫做圭。当太阳照着表的时候，圭上出现了表的影子，根据影子的方向和长度，就能读出时间，简称立杆测影。

在不同季节，太阳的出没方位和正午高度不同，并有周期变化的规律。于露天将圭平置于表北面，根据圭上表影，测量、比较和标定日影的周日、周年变化，可以定方向、测时间、求出周年常数、划分季节和制定历法。所以圭表测影是中国古代天文学的主要观测手段之一。

最早夏朝人便使用立杆测影的方法来观测一年当中太阳对地球热量的变化规律，并以此为依据测定四季。通过观测发现一年中影子最长的时候气候最冷为冬季，一年中影子最短的时候气候最炎热为夏季，是为最早确立的两个季节，然后冬季和夏季之间则是春季和秋季。夏朝人以此为依据指导农业生产活动。

西周初年，周公旦为了实现周武王“定天宝，依天室”的决策，决定通过立杆测影寻找到天地的中心点，然后在此建立国都。从《周礼》的记载中可知，周公根据当时天圆地方的观念以土圭测日影，夏至之日，树立八尺高表，影长一尺五寸时，这个地方就是天地之中。周公在当年大禹建都的嵩山下的阳城（今登封告成）找到天地之中之后，随着中原地区农业发展的需要，周公还在此进行了大规模的测日影、观星象制订历法活动，以此来促进和服务农业生产。由此反应太阳运动规律的二十四节气最早的四个节气“春分”、“秋分”、“冬至”、“夏至”便诞生了，阳城（今登封告成）也成为了古代天文观测、历法制定的重要基地。

战国时期，随着农业的发展，中国已知最早的农事历书也在黄河中下游的中原地区汇集而成，这就是《夏小正》。该书以一年中每月的物候、农事、气象等为记述内容，对二十四节气的形成和发展起到了巨大的推动作用。至迟在战国晚期，孕育于春秋时的二十四节气中的立春、立夏、立秋、立冬的名称和日期得到确定和彰显，并被运用到农业生产和日常生活之中。同时战国时期也是雨水、惊蛰、清明、谷雨、小满、芒种、小暑、大暑、处暑、白露、寒露、霜降、小雪、大雪、小寒、大寒这十六个节气的萌芽时期，也就是说这十六个节气的雏形也是在此时形成的。至秦汉时期二十四节气得以完全确立。

西汉时二十四节气又得到进一步巩固和提高。西汉武帝太初元年（前104年），天文学家邓平在制订中国有完整资料的第一部传世历法《太初历》时，把形成于秦汉时期的二十四节气正式列入历法之中，并明确了二十四节气的天文位置。所谓天文位置就是从太阳黄经零度春分开始，沿黄经每运行15度为一个节气，太阳一个回归年运行360度，共经历二十四个节气。把二十四节气列入历法是二十四节气服务农业生产和日常生活走向制度化的一个标志，也是二十四节气发展和普及史上具有里程碑意义的一件大事。

南北朝著名科学家祖冲之于宋大明六年（462年）修成的《大明历》，首次引入“岁差”确定二十四节气。所谓岁差即由于地球运行中受到其他天体的吸引，地球自转轴的方向发生缓慢而微小的变化。由此，从上年冬至到下年冬至，从地球上看，太阳并没有回到原来位置，而是岁岁后移，这就引起了二十四节气位置的变动。祖冲之确定每45年11个月相差1°。祖冲之通过“岁差”调整之后，大大提高了二十四节气的精度。

唐开元十七年（729年），著名天文学家一行（张遂）制订的《大衍历》，不仅有二十四节气和七十二候完备的记述和推算方法，而且使二十四节气更加准确。特别是一行根据太阳在黄道上运行速度不均所采用不等间距二次内插法，推算出每两个节气之间，黄经差相等，而时间距却不同，并对此进行了调节，这是天文史上的一大进步，也是二十四节气发展史上的一大进步。

元代著名天文学家郭守敬在阳城（今登封告成）设计并建造了一座测景台，即河南登封观星台，它是中国现存最早的古代天文台。整个观星台相当于一个测量日影的圭表。高耸的城楼式建筑相当于一根竖在地面的杆子，称为“表”，杆子上凿有小洞，运用小孔成像的原理解决了虚影的问题。台下有一个类似长堤的构造，相当于测量长度的尺子，称为“圭”，也叫做量天尺，其中凿有水槽以保证水平。圭表测时的精度是与表的长度成正比的，种种措施使得这个硕大的“圭表”测量精度大大提高。使其于至元十八年制定《授时历》，精确确定一个回归年为365.2425日，这使二十四节气在一年中的具体时间较以前更加精准。

清朝建立后，顺治二年（1645年）颁行的《时宪历》，不仅是一部先进的历法，更是二十四节气发展史上的又一里程碑。《时宪历》废除了把全年平分二十四等份确定二十四节气的方法，而是正式采用了由隋朝著名天文学家刘焯首先提出的以太阳在黄道上位置为标准，每15°为一节气。这种以“定气法”确定的二十四节气，使二十四节气更加准确，更加合理，也更科学。从《时宪历》颁布之后，由西汉开始使用“平气法”确定的二十四节气到此结束，而以“定气法”确定的二十四节气一直沿用至今。

自古以来，中国历法都是阴阳合历，即阴阳历。阴阳合历是调和太阳、地球、月亮的运转周期的历法。它既要求历法月同朔望月基本相符，又要求历法年同回归年基本相符，是一种综合阴、阳历优点，调合阴、阳历矛盾的历法，所以叫阴阳合历。兼具以地球绕太阳公转的周期为计算基础的阳历、以月亮绕地球公转的周期为计算基础的阴历的中国古代历法，注定了其计算的复杂性。同时也体现了中国人天人合一的哲学观。