元代科学家郭守敬“四海测验”与南海黄岩岛考略

郭在权

　　郭守敬(1231一1316),字若思,邢州邢台(今河北邢台)人。他是我国元代一位普名的科学家,在天文、历法、算学、地学和水利等方面都取得了辉煌成就和达到了高度水平。他在地学方面的成就主要是纬度测量、地形测量及标高概念的创立,而其中尤以纬度测量,即我国天文大地测量史上有名的“四海测验”所取得的成就最大。这次大规模的纬度测量,是在元朝初年全国形成统一的形势下,为了修改历法的需要,郭守敬提出要到“远方测验日月交食分数时刻不同、昼夜长短不同、日月星晨去天高下不同”的建议后进行的。当时,在南北长约1万1千里,东西宽约6千里的广阔地带上,建立27个观测站。在这鲜个观测站中,有7个观测站是观测项目齐全的,即南海、衡岳、岳台、和林、铁勒、北海和大都。《元里。世祖本纪》记载:”(至元16年即公元1279年)三月庚戍,救郭守敬琳上都、大都,历河南府抵南海,测验暑景”。《元史。天文志》“四海测验”条记载:“南海,北极出地一十五度,夏至景在表南一尺一寸六分,昼五十四刻,夜四十六刻”。上述记载表明,“南海”这一测站,是郭守敬亲自主持的测点之一。从《元史·天文志》“四海测验”条所列各测点的“北极出地”来看,它还是最南的测点。因此,这一测点在“四海测验”中占有重要的地位。但有关历史记载比较简略,地理位置尤不具体。本文拟对郭守敬南海测量的问题进行初步探讨。

“四海测验”


　　　元代至元十六年（１２７９年3月14日），郭守敬向忽必烈提出了一个十分重要的建议：“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》）。“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》）。“太史令王恂等……又请上都、洛阳等五处分置仪表，各选监候官。’从之。”（宋濂等：《元史·世祖本纪》）。至元十六年二月乙巳（1279年4月10日），“命同知太史院事郭守敬访求精天文历数者。”（宋濂等：《元史·世祖本纪》）至元十六年三月庚戌（1279年4月15日），“敕郭守敬繇上都、大都，历河南府抵南 海，测验晷景。”（宋濂等：《元史·世祖本纪》）这便是著名的“四海测 验”。

　　郭守敬主持了“四海测验”，这次测量共设有２７个观测点，“南海”是其中占有重要地位的一个。“南海”观测点的具体地理位置究竟在何处？目前说 法大致有４种：即（１）广州；（２）林邑；（３）西沙群岛；（４）黄岩岛。

　　《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。

　　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。

　　从纬度计算值可以排除广州和西沙，因为即使按5倍标准差，纬度的北界是15.17度。而西沙最南的岛也在纬度15.7度以北，更不用说海南和广州了。

　　而林邑属当时的占城国，1281年忽必烈曾派军由海路攻占，但占城王很快“既臣而复叛”。而1279年林邑并不属于元朝的疆域，而“四海测验”的是元朝的疆域。郭守敬在建议中说：“唐一行开元间（723）令南宫说天下测景，书中见者凡十三 处。”唐一行的测量南北共设12个点，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)，进行不同地区北极高度的实测。其中林邑的测量值为：“至林邑国，日在天顶北六度六分强，北极之高十七度四分，周圆三十五度，常见不隐。冬至影长六尺九寸，其径六千一百一十二里。“（《旧唐书·天文志》）若“南海”观测点是在林邑，记载就会直书“林邑”。而且，林邑的测量值是北极出地17度4分，要比”南海“偏北2度多。因此，“南海”观测点决不会是林邑。

黄岩岛沉降

　　达尔文的环礁形成理论认为，在第一阶段，岛屿（如火山岛）的沿岸，生成环绕海岸并与陆地相连的岸礁；在第二阶段，岛屿略微下沉，珊瑚礁则继续均匀地上长，其 外侧因海水环境良好，饵料多，氧气充足，比内部增长得快，结果珊瑚礁便与海岸分开，而在二者之间出现一片水域，即泻湖或内海，这时岸礁演变为堡礁；最后， 当岛屿完全沉没到海平面以下，而珊瑚仍向上生长，便形成环绕泻湖的环礁。

　　据余克服和赵建新先生在《南沙永暑礁表层珊瑚年代结构及其环境记录》（《海 洋 地 质 与 第 四 纪 地 质》2004，24卷4期）一文指出：南沙永暑礁在第四纪 以来的相对沉降速率 ( 海平面上升与地 壳下沉速率之和) 为 11 mm/a 。
　　假设黄岩岛的沉降速度与永暑礁是一样的话，则700年前黄岩岛比今天要高出11 x 700 =77000mm，即7.7米。若取730年，则高出8米。
　　下图为黄岩岛在今天和700年前陆地面积的对比，取700年前黄岩岛比今天高出7.0米。因此，认为700年前黄岩岛尚未露出水面是完全错误的。

　　排除了陆地，这样在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。有人据碳14测定黄岩岛年龄为470±95年，认为700多年前黄岩岛尚未露出水面。实际上碳14测定的是岛上生物活动的年限，只能是岛屿年龄的下限。结论：郭守敬“四海测验”的“南海”观测点就是在黄岩岛上。这是郭守敬的又一历史贡献。作为郭氏族人，我们感到自豪！

附件：郭守敬家族谱轴。2016年7月10日，郭钧令拍摄于“郭守敬故里”－－河北省邢台县皇寺镇郭村。中华郭氏网首发。

参考资料：

1、《元史·天文志》
2、《元史·郭守敬传》
3、郭守敬南海测量考《地理研究》1982年3月第一期，厉国青、钮仲勋著。

荣至

郭中杰

南海诸岛自古以来就是中国领土!