天文氣象

採用全國地面氣象站1951～2008年的氣象資料年值和月值數據集,系統分析雲量、氣温、濕度、風速、水汽壓和降水量等天文選址氣象要素氣候態的長年變化、季節變化和日變化特徵.根據對全國天文氣候的區域劃分,挑選出21個地區代表台站.統計比較各氣象要素變化特徵,總結出各地區天文氣象條件的時變特性,進一步論證其地域分佈特徵,從而為進行地基望遠鏡建設的全國範圍選址調查提供可靠的基礎數據。 ^[1] 

選用中國氣象局國家氣象信息中心氣象資料室整編的, 中國地面 756 個基本、基準氣象站(不包括台灣省), 1961~2008 年氣候資料年值數據集和月值數據集, 並從中剔除時間序列小於 10 年的台站 18 個, 以及近 20 年來沒有觀測的台站 11 個, 保留 727 個序列較長數據較完整的台站進行分析. 由於地面風速情況複雜, 為了得到準確的分析結果, 採用中國地面2425 個基本、基準氣象站和一般氣象站的氣候資料年值數據集. 基本站是國家天氣氣候站網中的主體,根據全國氣候分析和天氣預報的需要設置, 擔負區域或國家氣象信息交換任務. 基準站是國家氣候站網的骨幹, 是根據國家氣候區劃及全球氣候觀測系統的要求, 為獲取具有充分代表性的長期、連續氣候資料而設置[9]. 對於雲量、空氣温度和濕度、風速和風向等常規氣象要素, 所有站點均為必測項目, 數據採集和觀測精度一致. 圖 1 給出了中國 756 個地面基本、基準氣象站的分佈情況. 由圖可見, 我國東部地區站點分佈密集、均勻; 西部站點稀疏, 尤其是青藏高原地區, 受地形環境的影響, 相當大的範圍內沒有設立氣象台站, 因此這部分地區在分析可信度方面稍遜於東部。 ^[2] 

中國古代氣象學中有很豐富的天象記錄，這是通過天文氣象儀器進行觀測所取得的。天文氣象儀器是人類感覺的延伸，亦是研究日、月、星、辰、雲、雨、風、雷的重要工具和手段。天文氣象儀器的研製，是天文氣象學發展的基礎。我國古代天文氣象儀器有很多，比如圭表、晷儀、日晷、漏壺、更香、秤漏、渾象、假天等等。

很早以前，先民發現影子的變化有一定規律。於是便在平地上直立一根竿子或石柱來觀察影子的變化，逐漸形成圭與表，用來度量太陽照射表時所投影子長短。周朝時先民已能立表定向，實際上或可推至更早時期。 圭表初期形式為木杆或為石柱，可以用來定方向、節氣、時刻、地域等。以表影長度確定節氣，是圭表在曆法制定中的主要工作內容之一。 圭表逐漸發展成日晷，又稱“日規”，是我國古代利用日影測得時刻的一種計時儀器。通常由銅製的指針和石制的圓盤組成。銅製的指針叫做“晷針”，垂直地穿過圓盤中心，起着圭表中 立竿 的 作 用，因 此，晷 針 又 叫“表”。石制的圓盤叫做“晷面”，當太陽光照在日晷上時，晷針的影子就會投向晷面，太陽由東向西移動，投向晷面的晷針影子也慢慢地移動。於是，移動着的晷針影子就好像是現代鐘錶的指針，晷面則是鐘錶的表面，以此來顯示時刻。

我國風向器的發明很早，商朝時，人們已利用旗上的飄帶來觀測風向，同時已有四面風的概念。秦朝宮中的觀台上有相風銅烏，漢朝承襲下來，漢初稱為清枱，後來改為靈台，相風銅烏一直使用。在漢、魏、晉這些朝代，相風烏不僅是宮廷用具，也流傳到郡縣、藩國和民間。晉代皇帝出行，有人舉着相風烏走在儀仗隊的前頭。 漢代的風向器也稱“銅鳳凰”或“鐵鸞”，工藝逐漸成熟，儀器狀態穩定。漢代建章宮的鳳凰闕上裝了兩個銅鳳凰，銅鳳凰的下面有轉樞。風來的時候，銅鳳凰的頭會向着風，好像要飛的樣子，它類似於的風向標。當時尚未見有風級的區分，但是漢代的銅鳳凰和相風烏實可認為是近世風速計的最早雛形。 觀測風不單要觀測風向，也觀測風力大小。這是因為風力大往往具有破壞性。在唐代，已經開始利用地面物體受風影響所表現的破壞程度來表示風力大小，根據《乙巳佔》，當時把風力分為 8 級，再加上“無風”和“和風”兩個級，可合為 10 級，比近代國際上著名的蒲福風力表早很多年。 相風烏及各種測風儀器不僅用於我國陸地，也廣泛用於江河和海上水路交通，還可能遠播國外。歐洲人最早的候風雞，是豎在教堂上的“聖彼得天雞”，出現於公元 12 世紀。 ^[3] 

我國是最早發明測濕儀器的國家。古代典籍中早有記載。在《史記》中曾提到把土和炭分別掛在天平兩側，以觀測掛炭一端天平升降的儀器。《淮南子》中指出，這個儀器的掛炭一端升降的意義為：天氣乾燥了，炭就輕；天氣潮濕了，炭就重。這算是我國最早的測量濕度的儀器。 除了上面天平式的測濕儀器外，還有其他形式。漢代就有人利用琴絃感應濕度的原理預測晴雨。東漢王充在《論衡》中曾經談到，琴絃變鬆，天就要下雨。琴絃變鬆，是天變潮濕、絃線伸長所造成的。清康熙年間，西方來華傳教士南懷仁曾用小鹿的筋做成一個絃線温度表，以驗空氣乾濕。黃履莊也研製成功了“驗燥濕器”，利用絃線隨濕度伸縮的原理測量温度，這是毛髮濕度計的前身。元末明初婁元禮在《田家五行》一書中也説：如果質量很好的幹潔絃線忽然自動變鬆、變寬了，那是因為琴牀潮濕的緣故；出現這種現象，預示着天將陰雨。 ^[3] 

我國古代對雨水觀測十分重視。甲骨卜辭中，對雨已經有“大雨”“猛雨”“疾雨”“足雨”“多雨”“毛毛雨”等記載。雨下的是否及時，以及雨量的分配和多少，直接影響着農業生產，這就迫使我國古代國家統治階級重視上報雨量。在秦代，我國已經有“報雨澤”制度。1975 年考古發現《秦律十八種》的竹簡，其中《田律》裏規定，凡下得及時而且有利於穀物抽穗的雨，雨後應書面分別報告有抽穗穀物和未種穀物的受雨田畝數。東漢政府也曾經要求所轄各郡國在從立春到立秋整個作物生長期間，向中央報告雨水情況。明代從洪武年間（公元 14 世紀後半葉）開始，就很重視測雨，要求全國州縣的負責官吏按月向中央上報雨水情況。 南宋秦九韶不但是一位偉大的數學家，而且是一位農業氣象學家，精密測算一地雨量、雨水深、雪量、雪深方法。他在《數書九章》序文中明確説：農業生產的豐收與否，和雨量、雪量很有關係，所以其觀測很重要。《數學九章》卷四中列有 4 道有關降水的算題，分別為“天池測雨”“圓罌測雨”“峻積驗雪”“竹器驗雪”，這四道題所問的，都是降水折算成平地的雨深或雪厚是多少。從這裏可以看出，當時人們已經知道平地的降水量才有代表性。在宋代，每一省、每一都會城市皆有測雨器的設置，而且以尺、寸、分寸為雨量的單位，以測定雨量的多少，推算某地點的降水量和某地區的面積降水量。 這些精巧的氣象儀器，展現了我國古代科學家和勞動人民的聰明才智，反映了我國古代氣象學的較高成就，其中有很多智慧和知識值得後人學習和研究。 ^[3]