中國最早天文氣象臺及觀測系統(tǒng)

周京平?沈冰冰

摘 要：本文詳述了距今4300年山西陶寺古觀象臺遺址形成地理氣候環(huán)境因素，社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展背景，以及構(gòu)建了巨大一個天文氣象觀臺，通過觀測一年中太陽的變化，準(zhǔn)確測定冬至、夏至日出方位，確定季節(jié)，制定歷法，并將其運用到原始農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活中，形成中國古代先民早期的天文氣象學(xué)觀測系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：陶寺古觀象臺；太陽崇拜

現(xiàn)代學(xué)者對于以來有系統(tǒng)文獻(xiàn)記載的歷史時期的天文氣象學(xué)發(fā)展過程已經(jīng)做了比較充分的研究，但是對于沒有系統(tǒng)文獻(xiàn)記載的商周、春秋以前的早期天文氣象學(xué)研究可以說是還處于初級階段。越是在文明早期階段，文獻(xiàn)的記載越稀缺，零散并難以辨識。[1]著名天文學(xué)家王綬琯院士認(rèn)為：“中國有著5000年光輝燦爛的文明史，中國天文學(xué)在近代以前以前一直處于領(lǐng)先地位。但由于文獻(xiàn)記載的缺失，我們對于商周以前上古天文學(xué)的發(fā)達(dá)水平知之甚少，考古發(fā)掘彌補了這一缺憾。”著名學(xué)者張光直先生認(rèn)為：“史前人類歷史的全部資料，都是由考古學(xué)產(chǎn)生的?！睆?978年-2003年發(fā)現(xiàn)的令人驚嘆陶寺古代文化遺址及古觀象臺的廢墟遺址將徹底改寫中國的史前史，并在中國科學(xué)史，乃至世界科學(xué)史上的產(chǎn)生重要意義。[2]本文就陶寺文化遺址做一探索性研究，研究其史前遺址的天文氣象地理環(huán)境及產(chǎn)生社會時空背景，探究其天文氣象觀測標(biāo)志點、系統(tǒng)功能等。

在山西省南部，發(fā)掘出距今4300年前陶寺城遺址，是中華民族最早的發(fā)祥地之一，是目前在黃河流域發(fā)現(xiàn)新石器時代最大的一座城址，在該遺址中期小城內(nèi)，發(fā)現(xiàn)大型建筑基址II FJT1，2003-2005年該遺址又進(jìn)一步發(fā)掘，發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)古時期觀象臺遺址，該觀象臺呈半圓形平臺，基址由夯土臺基和生土臺芯組成。陶寺遺址被認(rèn)為是先秦史籍中最早出現(xiàn)的“中國”遺跡，它奠定了華夏的根基，同時也形成了中國最早的天文氣象觀象臺。

1 山西陶寺城古觀象臺遺址的地理、氣候環(huán)境時空分析

1.1 陶寺古觀象臺遺址產(chǎn)生的氣候因素分析

環(huán)境科學(xué)研究顯示，全新世氣候環(huán)境的變遷在我國北方農(nóng)業(yè)的起源和發(fā)展過程中起到非常關(guān)鍵的作用。距今11000年左右，末次冰期結(jié)束，全新世開始，氣溫上升并逐步穩(wěn)定，這為谷物的成功馴化提供了可能，農(nóng)業(yè)處于萌芽狀態(tài)。距今5000—3000年屬于氣候波動和暖的亞穩(wěn)定濕暖期，當(dāng)時年均氣溫距今差約2-3度，氣候溫暖濕潤，降雨充沛，植被豐茂，適于木石農(nóng)具耕作和農(nóng)作物生長，造就了原始農(nóng)業(yè)發(fā)生發(fā)展的基本條件，這些自然條件和氣候條件為陶寺文化遺址提供了物質(zhì)框架和資源基礎(chǔ)。[3]

1.2 陶寺地區(qū)洪水

圖1 山西襄汾陶寺遺址位置圖

在距今4300年前后，黃河流域在此時期，氣候濕潤多雨，有一個長時間的洪水泛濫時期，在先秦的文獻(xiàn)中，特別是《尚書》、《詩經(jīng)》、《墨子》、《孟子》中，對堯舜禹時代的洪水泛濫都有詳細(xì)的追述，“湯湯洪水方割，蕩蕩懷山襄陵。”“當(dāng)堯之時。水逆行，泛濫于中國，蛇龍居之，民無所定，下著為巢，上者為窟。”洪水沖刷后的土地非常肥沃，適于農(nóng)作物生長，適合原始農(nóng)業(yè)的產(chǎn)生。（圖1所示）

2 陶寺文化遺址的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的歷史時空背景分析

2.1 石器為主要生產(chǎn)工具：距今4300-3900年陶寺文明及文化遺址是龍山時代晚期晉西南地區(qū)一支重要的史前文化，處于新石器時期，主要生產(chǎn)工具是石器，其數(shù)量多，功能多樣性，陶寺古代先民使用石器工具從事農(nóng)業(yè)、手工業(yè)、建筑房屋等，尤其是對建設(shè)天文氣象觀象臺建筑及觀測活動的產(chǎn)生重要作用和積極影響。[4]

2.2農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展奠定陶寺文化經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)，從陶寺遺址碳化植物遺存的浮選中，分析出當(dāng)時主要農(nóng)作物有栗、黍、稻谷、大豆、高粱、玉米等。在陶寺墓葬群中發(fā)現(xiàn)一件木制“倉形器”，表明當(dāng)時糧食產(chǎn)量較大，說明農(nóng)業(yè)在古代先民生活中占有重要地位。

2.3畜牧養(yǎng)殖業(yè)造就古人飲食改善，從陶寺遺址出土動物骨骼分析，家養(yǎng)動物有豬、綿羊、狗、黃牛，豬占絕對多數(shù)，表明出陶寺遺址先民們獲取肉食資源方式以家畜為主，古代先民食用肉類，[5]植物性食物營養(yǎng)值低于肉類，將改善其自身體質(zhì)，利于大腦的創(chuàng)造性的思維。

2.4陶寺手工業(yè)發(fā)展，其出土比較精美的漆木器、玉器、陶器等，器型主要有案、俎、幾、匣、斗等，將這類文物的歷史分別提前了1000-2000年。[6]

2.5在陶寺墓內(nèi)發(fā)現(xiàn)扁壺上的“文堯”二字，用紅顏料書寫，學(xué)者認(rèn)為“文堯”二字近似于甲骨文的書體，字體筆法純熟，已脫離文字初始之稚拙形態(tài)，被認(rèn)為是中國目前所知的最古老的中國文字。[4]

2.6陶寺古代先民已掌握了銅的冶煉技術(shù)，在一座墓穴中發(fā)現(xiàn)一銅形鈴器，含銅量為97.86%，屬純度較高的紅銅，為鑄造產(chǎn)品，說明當(dāng)時古代先民已能煉出純度較高的銅液，掌握了復(fù)合范鑄造技術(shù)。以上因素條件為構(gòu)建陶寺古天文氣象觀測臺建筑工程活動奠定了技術(shù)和文化基礎(chǔ)。[7]

2.7陶寺古代先民已經(jīng)開始采用石膏這種建筑材料用于室內(nèi)建筑，這種石膏經(jīng)X-衍射、拉曼，X-射線熒光光譜分析表明：石膏主要成分為二硫酸鈣即現(xiàn)代建筑裝飾材料，這首次表明今4300年前，。它不僅是理想的凝膠材料，而且比石灰具有更好的可塑性。[8]

3 山西陶寺古觀象臺基本結(jié)構(gòu)及時空內(nèi)涵

陶寺遺址位于山西臨汾市襄汾縣城東北7.5公里的陶寺鄉(xiāng)東坡村，處于較平坦的半丘陵地帶，背靠塔兒山，西臨汾河，東西長2000米，南北寬1500米，總面積約300多萬平方米。這是迄今為止中原地區(qū)龍山文化遺址中規(guī)模最大的一處。歷時五、六百年，分為早、中、晚三期，其年代早期在新石器晚期，晚期年代已進(jìn)入夏代紀(jì)年范圍。[9]

3.1 陶寺古觀象臺遺址地面建筑形態(tài)分析

陶寺城址內(nèi)建立了中國最早的圓體“觀象臺”建筑：古觀象臺遺址地基由小板塊錯縫夯筑而成，此建筑呈大半圓形外環(huán)道和半圓形臺基建筑構(gòu)成，基址由環(huán)形夯土路基和生土臺芯組成，形制奇特，總面積大約1740平方米。它有三個圈層的夯土結(jié)構(gòu)：第一道夯土擋土墻基呈月牙狀貼于臺基正東，其半徑大約18米，弧長25米，寬1.1米，由九塊夯土板塊拼接而成；第二道夯土擋墻墻內(nèi)填土為黃褐色，其半徑大約有24米，弧長40米，墻寬1-1.5米，成中層臺基。中層臺基東層為生土半月臺，南側(cè)為看臺；第三道夯土擋土墻呈大半環(huán)形，其半徑大約有50米，弧長38米，墻寬1.5-2米，三層臺基各高0.4米，由十六塊夯土板塊組成圓弧，觀測中心和12條由夯土柱構(gòu)成的觀測縫呈扇狀輻射排列，觀測中心距觀測縫的距離約10.5米，各縫張角大多為1度-2度。一段深達(dá)2-3米的圓弧狀夯土墻的頂端挖出10道殘深4-17厘米的縫隙，加上北側(cè)兩個夯土墩形成的縫隙，共形成E1-E12共12道觀測縫，縫隙自東南到東北依次命名為東1號縫到東10號縫隙，寬度多在15-20厘米，[10][11]加起來形成東11號縫和東12號縫。遺址東面遙對塔兒山，現(xiàn)已確定這是一處觀測日出確定季節(jié)兼舉行宗教儀式的建筑，而觀測天象，制定歷法是華夏文明誕生的重要標(biāo)志。歷史學(xué)界一般認(rèn)為陶寺城遺址可能是傳說中五帝時代堯帝的都城。

3.2 古人目測天象時，其天象長度和取象比類描述記錄分析

從陶寺古觀象臺第一道夯土擋土墻基呈月牙狀貼于臺基正東，其半徑大約18米，第二道夯土擋墻墻內(nèi)填土為黃褐色，其半徑大約有24米，第三道夯土擋土墻呈大半環(huán)形，其半徑大約有50米，形成古人觀測天象一套獨特系統(tǒng)，[12]它表現(xiàn)了中國古代傳統(tǒng)科學(xué)思維方法——“取象比類”方法，展示事物性質(zhì)，具體在天象（太陽，黑子，星體等）的描述中，說明它們視直徑，視大小，或者亮度等?，F(xiàn)代天文氣象學(xué)地平坐標(biāo)系“天球”定義為：以觀測者為球心，以任意長為半徑所作的假象球面，故球面上星體的視距離、視高度、視直徑只能用角度為單位表示。古人有這種本能把半徑十余米的假想天穹作為標(biāo)準(zhǔn)投影面，它和現(xiàn)代人一切都用儀器來精密測量，而修建的天文館天象廳，有異曲同工之處。[13]

表2 世界一些大型天象廳及穹幕影廳的直徑

天象廳（國家） 直徑（米）

北京天文館（中國）

上海天文館（中國）

筑波天文館（日本）

莫斯科天文館（俄羅斯）

圣彼得堡天文館（俄羅斯）

布魯?shù)滤谷R斯天文館（比利時）

維萊特天文館（法國）

背哈拉天文館（捷克）

阿姆斯特丹天文館（荷蘭）

杜塞爾多夫天文館（德國、已毀）

福利特空間劇場（美國） 23.5

23

27

23.7

24

24

26

23.5

25

30

23.2

從表2中可以看出，大型天象廳的直徑多為23—27米，與陶寺古觀象臺古人目視測天時的天球尺寸，第二道夯土擋墻墻內(nèi)填土為黃褐色，其半徑大約有24米不謀而合。此結(jié)果令人驚訝，它竟與4300年前中國古代尺度體系的假想天球半徑相當(dāng)吻合。

3.3 十二個觀測縫的天文氣象模擬觀測過程及時空分析

原始時空觀是人類對宇宙現(xiàn)象長期觀測的結(jié)果，是對時空運行規(guī)律的認(rèn)識或知識體系，通過它，古人知道空間的四方——東西南北；通過它，圓更圓，方更方，房屋平面變得規(guī)則了，通過它時間中產(chǎn)生一年、四季和節(jié)氣，誕生了最初的歷法。太陽是地平面上最常見、最容易觀測到的天體，所以古人建立陶寺古觀象臺觀測太陽，它由一個觀測中心點和13個土柱，中間夾著12跳縫隙。[14]中國古代的祭祀遺址，一般都帶有天文歷法功能，由觀測點找到冬至?xí)r所觀測的狹縫（從南向北數(shù)第2條），以及對應(yīng)塔兒山的東南山峰，同時也找到夏至與第5條狹縫相對應(yīng)的塔兒山主峰，并和主峰頂?shù)膶毸B城一線。在春秋分附近則是通過第7條狹縫，它與塔兒山主峰以北的小山頭對應(yīng)，至此可從這些夯土柱中間看到12條狹縫，第2條對應(yīng)冬至，第3條縫是大寒日出的觀測縫，第7條對應(yīng)春秋分，第12條對應(yīng)夏至。[15]

表3 日出通過狹縫日期

狹縫

序號 日出通過與

狹縫日期 相鄰狹縫與

間隔日期 公歷中的

中氣日期

12 6.21 32 6.21夏至

11 7.23 22 7.23大暑

5.20 24 5.21小滿

10 8.14 19

9.26 10

9 9.2 12 8.23處暑

4.10 13 4.20谷雨

8 9.14 11

3.28 10

7 9.25 9 9.23秋分

3.18 10 3.21春分

6 10.4 10

3.8 9

5 10.14 17 10.24霜降

2.27 18 2.19雨水

4 10.31 18

2.9 18

3 11.18 33 10.23小雪

1.22 32 1.20大寒

2 12.22 12.22冬至

從表3記錄各狹縫間相隔日數(shù)的數(shù)據(jù)表明：各土柱夾角位于6.5度-8度之間，每兩個狹縫之間象征著一個節(jié)氣，即一個土柱為一個節(jié)氣，太陽在冬至前后通過一個土柱需要32-33天，在夏至前后也為32天，二者所需天數(shù)相似。夾角變化7度約需33天；而在春秋分前后，太陽南北位移速度相對較大，只需9-10天就通過一個土柱；有此可見冬、夏至縫隙最有實用價值，它暗示古代先民對節(jié)氣的認(rèn)識經(jīng)歷了一個漫長的過程，而陶寺天文氣象觀測正好處于4000多年前萌芽狀的節(jié)氣觀測系統(tǒng)時期，這兩個縫隙標(biāo)志具有制定歷法的實際意義，也為后世形成的二十四節(jié)氣為參照基準(zhǔn)，中國古代歷法家也正是一直保持這一傳統(tǒng)制訂歷法的。

3.4 陶寺觀象臺與自然山峰背景時空關(guān)系

陶寺天文遺跡其重要特點：以自然山峰做襯托，人工建筑與天然背景相融合，天人合一，構(gòu)成一個巨大的天文照準(zhǔn)系統(tǒng)。用來觀測日出方位以制定歷法，陶寺天文氣象觀測臺的背景山叫做“崇山”。《尚書.堯典》（梅賾本在《舜典》）：“放驩兜于崇山”。《山西志輯要》（卷二，平陽府）亦謂塔兒山“昔稱臥龍山，即古之崇山”?！渡胶＝?jīng).海外南經(jīng)》引《山海經(jīng)》作“堯葬狄山之陽，一名崇山”；[15]《論衡.書虛篇》“堯帝葬于冀州，或言葬于崇山”。文獻(xiàn)記載夏禹的父親鯀就封在崇山，稱為“崇伯鯀”（《國語.周語》），因治河無方被堯帝誅殺，嗣封稱為“崇禹”（見《逸周書.世俘解》）?！秶Z.周語上》及《鄭語》載“昔夏之興也，融降于崇山”。有學(xué)者認(rèn)為上述堯瞬時期鯀禹的封地“崇”就在今陶寺東南的崇山?！妒酚?夏本紀(jì)》劉起釬注譯：鯀居地在崇（山西襄汾、冀城、曲沃之間的崇山），稱崇伯。

4 陶寺古觀象臺對現(xiàn)代天文氣象學(xué)意義

4.1 中國古代先民建立了世界最早的古觀象臺

距今4300年前山西陶寺古天文氣象觀測臺遺址有明確的觀測點，它的發(fā)現(xiàn)擬補了商周以前中國古天文氣象學(xué)發(fā)達(dá)水平知之甚少，它展示了新石器時代中國古代文明進(jìn)步程度，陶寺古觀象臺遺址，其材質(zhì)取自當(dāng)?shù)卣滁S土、砂土，運用了原始天文氣象觀測學(xué)、原始幾何圖形學(xué)、原始建筑工程學(xué)等原理，構(gòu)建了中國現(xiàn)存最早的古觀象臺，凝聚了距今4300年前中國古代先民文化智慧的結(jié)晶。

4.2 建立起世界上最早的天文氣象觀測系統(tǒng)

在距今4300年山西陶寺古觀象臺遺址，以自然山峰做襯托，人工建筑與天然背景相融合，天人合一，構(gòu)成一個巨大的天文氣象照準(zhǔn)系統(tǒng)。陶寺天文氣象觀測系統(tǒng)內(nèi)容成果：

4.2.1測量大地方位：在“寅賓出日”、“寅餞納日”等活動中得到“東作”、“西成”方向，確定日出、日落方位，并確定正東、正西方向。

4.2.2觀測日出、日落方位定節(jié)氣：從陶寺古觀象臺夯土柱中12條狹縫，第2條對應(yīng)冬至，第7條對應(yīng)春秋分，第12條對應(yīng)夏至。此時日出達(dá)最南方向之日就是冬至，達(dá)到最北端就是夏至。春分日出在“旸谷”方位，秋分日落“昧谷”方位，《堯典》載“旸谷”、“昧谷”指自然山谷為背景標(biāo)志的日出入方位，即陶寺古觀象臺背景山——塔兒山又稱崇山。

4.2.3“期三百有六旬有六日”：測得日出方位以后，太陽先后兩次到達(dá)冬至（或夏至）日出方位的時間間隔，就是一個回歸年。測得一回歸年的長度（虛日數(shù)），這是編制太陽歷的基本數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)。

4.2.4觀測晝夜長短：觀測“日中”、“宵中”即晝夜長短相等的日期是春秋分，“日永”“日短”即白晝最長及最短的日期是夏至、冬至。

古代先民對太陽認(rèn)識逐步加深，認(rèn)為太陽是氣象、氣候變化及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動之源，在沒有產(chǎn)生文字之前，古代先民用質(zhì)樸的、抽象的、形象化的圖畫，圖形記錄其觀察天文氣象結(jié)果，（它們是產(chǎn)生文字基礎(chǔ)）并抒發(fā)自己對太陽的感悟，經(jīng)思考分析總結(jié)，摸索著實際應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程，用實證方法，構(gòu)建形成了人類早期天文氣象原始的啟蒙思想，準(zhǔn)確測定冬至、夏至、春分、秋分，建立四季和節(jié)氣等氣候概念，比甲骨文記錄天象的象形文字早1300多年，在這漫長一千多年中，因為沒有產(chǎn)生系統(tǒng)文字，也就缺乏文字記錄，但我們通過今天用遺存的陶寺古觀象臺遺址，及出土的大量實物等，用邏輯方法和后續(xù)中國古代文獻(xiàn)記錄的佐證、考證、揣測、假設(shè)、推理和演繹其整個過程，可以認(rèn)為：人類早期是從觀察太陽開始，利用太陽溫暖陽光給地球環(huán)境帶來的酷暑嚴(yán)寒，風(fēng)霜雨雪，從事原始農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，使太陽和原始先民的農(nóng)事生產(chǎn)、及生活緊密相連，因而形成了早期農(nóng)業(yè)天文氣象學(xué)的萌芽，并在陶寺地區(qū)建立起世界上最早的天文氣象觀測系統(tǒng)，把中華民族把對太陽的觀測、崇拜和遠(yuǎn)古以來原始農(nóng)業(yè)、及早期天文氣象學(xué)思想的萌芽推向一個新的高峰。

5 結(jié)論

5.1、陶寺文化遺址處于溫暖濕潤氣候，優(yōu)越的地理環(huán)境：距今四五千年，正處于氣候波動和暖的亞穩(wěn)定濕暖期，陶寺文化遺址位于黃河中游地區(qū)，分布區(qū)域臨汾盆地，土地肥沃，溫暖偏濕潤的氣候，河流眾多，當(dāng)時植被是暖溫帶落葉闊葉林，動植物資源豐富，為陶寺古代先民提供良好的生產(chǎn)、生活繁衍、適宜生存的氣候及自然環(huán)境條件。

5.2、新石器時期陶寺遺址城社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度相當(dāng)發(fā)達(dá)，為中國古代文明及天文氣象觀測奠定技術(shù)、物質(zhì)、文化基礎(chǔ)：陶寺文化遺址社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展到一個相當(dāng)發(fā)達(dá)程度，首先表現(xiàn)為大量的石器生產(chǎn)工具，農(nóng)業(yè)進(jìn)入“刀耕火種”的精細(xì)化階段，這一時期出現(xiàn)銅的冶煉、鑄造技術(shù)，手工業(yè)生產(chǎn)出許多精美的陶器、玉器、骨器，同時出現(xiàn)古代最早文字刻在陶罐上，出現(xiàn)最早建筑材料石膏及陶瓦板材。這些為當(dāng)時中國古代文明和天文氣象觀測系統(tǒng)建立奠定技術(shù)和物質(zhì)基礎(chǔ)。

5.3、古人目測天象時，其天象長度和取象比類描述記錄分析：陶寺古觀象臺地面目測天象半徑，形成古人觀測天象一套獨特系統(tǒng)，它表現(xiàn)了中國古代傳統(tǒng)科學(xué)思維方法——“取象比類”方法，展示事物性質(zhì)，具體在天象（太陽，黑子，星體等）的描述中，說明它們視直徑，視大小，或者亮度等。

5.4、中國天文氣象學(xué)四季思想已經(jīng)基本成型，天文歷法雛形已基本形成：中國古代的祭祀遺址，一般都帶有天文歷法功能，陶寺遺址其夯土柱中間看到12條狹縫，第2條對應(yīng)冬至，第7條對應(yīng)春秋分，第12條對應(yīng)夏至。

5.5、建立起世界上最早的天文氣象觀測系統(tǒng)：在距今4300年山西陶寺古觀象臺遺址，以自然山峰做襯托，人工建筑與天然背景相融合，天人合一，構(gòu)成一個巨大的天文氣象照準(zhǔn)系統(tǒng)。古代先民對太陽認(rèn)識逐步加深，在陶寺地區(qū)建立起世界上最早的天文氣象觀測系統(tǒng)，把中華民族把對太陽的觀測、崇拜和遠(yuǎn)古以來原始農(nóng)業(yè)、及早期天文氣象學(xué)思想的萌芽推向一個新的高峰。

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作者簡介

周京平（1961-），北大信息管理系碩士研究生班畢業(yè)，中國氣象局圖書館工作。