中国最早天文气象台及观测系统

周京平?沈冰冰

摘 要：本文详述了距今4300年山西陶寺古观象台遗址形成地理气候环境因素，社会经济发展背景，以及构建了巨大一个天文气象观台，通过观测一年中太阳的变化，准确测定冬至、夏至日出方位，确定季节，制定历法，并将其运用到原始农业生产和生活中，形成中国古代先民早期的天文气象学观测系统。

关键词：陶寺古观象台；太阳崇拜

现代学者对于以来有系统文献记载的历史时期的天文气象学发展过程已经做了比较充分的研究，但是对于没有系统文献记载的商周、春秋以前的早期天文气象学研究可以说是还处于初级阶段。越是在文明早期阶段，文献的记载越稀缺，零散并难以辨识。[1]著名天文学家王绶琯院士认为：“中国有着5000年光辉灿烂的文明史，中国天文学在近代以前以前一直处于领先地位。但由于文献记载的缺失，我们对于商周以前上古天文学的发达水平知之甚少，考古发掘弥补了这一缺憾。”著名学者张光直先生认为：“史前人类历史的全部资料，都是由考古学产生的。”从1978年-2003年发现的令人惊叹陶寺古代文化遗址及古观象台的废墟遗址将彻底改写中国的史前史，并在中国科学史，乃至世界科学史上的产生重要意义。[2]本文就陶寺文化遗址做一探索性研究，研究其史前遗址的天文气象地理环境及产生社会时空背景，探究其天文气象观测标志点、系统功能等。

在山西省南部，发掘出距今4300年前陶寺城遗址，是中华民族最早的发祥地之一，是目前在黄河流域发现新石器时代最大的一座城址，在该遗址中期小城内，发现大型建筑基址II FJT1，2003-2005年该遗址又进一步发掘，发现远古时期观象台遗址，该观象台呈半圆形平台，基址由夯土台基和生土台芯组成。陶寺遗址被认为是先秦史籍中最早出现的“中国”遗迹，它奠定了华夏的根基，同时也形成了中国最早的天文气象观象台。

1 山西陶寺城古观象台遗址的地理、气候环境时空分析

1.1 陶寺古观象台遗址产生的气候因素分析

环境科学研究显示，全新世气候环境的变迁在我国北方农业的起源和发展过程中起到非常关键的作用。距今11000年左右，末次冰期结束，全新世开始，气温上升并逐步稳定，这为谷物的成功驯化提供了可能，农业处于萌芽状态。距今5000—3000年属于气候波动和暖的亚稳定湿暖期，当时年均气温距今差约2-3度，气候温暖湿润，降雨充沛，植被丰茂，适于木石农具耕作和农作物生长，造就了原始农业发生发展的基本条件，这些自然条件和气候条件为陶寺文化遗址提供了物质框架和资源基础。[3]

1.2 陶寺地区洪水

图1 山西襄汾陶寺遗址位置图

在距今4300年前后，黄河流域在此时期，气候湿润多雨，有一个长时间的洪水泛滥时期，在先秦的文献中，特别是《尚书》、《诗经》、《墨子》、《孟子》中，对尧舜禹时代的洪水泛滥都有详细的追述，“汤汤洪水方割，荡荡怀山襄陵。”“当尧之时。水逆行，泛滥于中国，蛇龙居之，民无所定，下着为巢，上者为窟。”洪水冲刷后的土地非常肥沃，适于农作物生长，适合原始农业的产生。（图1所示）

2 陶寺文化遗址的社会经济发展的历史时空背景分析

2.1 石器为主要生产工具：距今4300-3900年陶寺文明及文化遗址是龙山时代晚期晋西南地区一支重要的史前文化，处于新石器时期，主要生产工具是石器，其数量多，功能多样性，陶寺古代先民使用石器工具从事农业、手工业、建筑房屋等，尤其是对建设天文气象观象台建筑及观测活动的产生重要作用和积极影响。[4]

2.2农业经济发展奠定陶寺文化经济基础，从陶寺遗址碳化植物遗存的浮选中，分析出当时主要农作物有栗、黍、稻谷、大豆、高粱、玉米等。在陶寺墓葬群中发现一件木制“仓形器”，表明当时粮食产量较大，说明农业在古代先民生活中占有重要地位。

2.3畜牧养殖业造就古人饮食改善，从陶寺遗址出土动物骨骼分析，家养动物有猪、绵羊、狗、黄牛，猪占绝对多数，表明出陶寺遗址先民们获取肉食资源方式以家畜为主，古代先民食用肉类，[5]植物性食物营养值低于肉类，将改善其自身体质，利于大脑的创造性的思维。

2.4陶寺手工业发展，其出土比较精美的漆木器、玉器、陶器等，器型主要有案、俎、几、匣、斗等，将这类文物的历史分别提前了1000-2000年。[6]

2.5在陶寺墓内发现扁壶上的“文尧”二字，用红颜料书写，学者认为“文尧”二字近似于甲骨文的书体，字体笔法纯熟，已脱离文字初始之稚拙形态，被认为是中国目前所知的最古老的中国文字。[4]

2.6陶寺古代先民已掌握了铜的冶炼技术，在一座墓穴中发现一铜形铃器，含铜量为97.86%，属纯度较高的红铜，为铸造产品，说明当时古代先民已能炼出纯度较高的铜液，掌握了复合范铸造技术。以上因素条件为构建陶寺古天文气象观测台建筑工程活动奠定了技术和文化基础。[7]

2.7陶寺古代先民已经开始采用石膏这种建筑材料用于室内建筑，这种石膏经X-衍射、拉曼，X-射线荧光光谱分析表明：石膏主要成分为二硫酸钙即现代建筑装饰材料，这首次表明今4300年前，。它不仅是理想的凝胶材料，而且比石灰具有更好的可塑性。[8]

3 山西陶寺古观象台基本结构及时空内涵

陶寺遗址位于山西临汾市襄汾县城东北7.5公里的陶寺乡东坡村，处于较平坦的半丘陵地带，背靠塔儿山，西临汾河，东西长2000米，南北宽1500米，总面积约300多万平方米。这是迄今为止中原地区龙山文化遗址中规模最大的一处。历时五、六百年，分为早、中、晚三期，其年代早期在新石器晚期，晚期年代已进入夏代纪年范围。[9]

3.1 陶寺古观象台遗址地面建筑形态分析

陶寺城址内建立了中国最早的圆体“观象台”建筑：古观象台遗址地基由小板块错缝夯筑而成，此建筑呈大半圆形外环道和半圆形台基建筑构成，基址由环形夯土路基和生土台芯组成，形制奇特，总面积大约1740平方米。它有三个圈层的夯土结构：第一道夯土挡土墙基呈月牙状贴于台基正东，其半径大约18米，弧长25米，宽1.1米，由九块夯土板块拼接而成；第二道夯土挡墙墙内填土为黄褐色，其半径大约有24米，弧长40米，墙宽1-1.5米，成中层台基。中层台基东层为生土半月台，南侧为看台；第三道夯土挡土墙呈大半环形，其半径大约有50米，弧长38米，墙宽1.5-2米，三层台基各高0.4米，由十六块夯土板块组成圆弧，观测中心和12条由夯土柱构成的观测缝呈扇状辐射排列，观测中心距观测缝的距离约10.5米，各缝张角大多为1度-2度。一段深达2-3米的圆弧状夯土墙的顶端挖出10道残深4-17厘米的缝隙，加上北侧两个夯土墩形成的缝隙，共形成E1-E12共12道观测缝，缝隙自东南到东北依次命名为东1号缝到东10号缝隙，宽度多在15-20厘米，[10][11]加起来形成东11号缝和东12号缝。遗址东面遥对塔儿山，现已确定这是一处观测日出确定季节兼举行宗教仪式的建筑，而观测天象，制定历法是华夏文明诞生的重要标志。历史学界一般认为陶寺城遗址可能是传说中五帝时代尧帝的都城。

3.2 古人目测天象时，其天象长度和取象比类描述记录分析

从陶寺古观象台第一道夯土挡土墙基呈月牙状贴于台基正东，其半径大约18米，第二道夯土挡墙墙内填土为黄褐色，其半径大约有24米，第三道夯土挡土墙呈大半环形，其半径大约有50米，形成古人观测天象一套独特系统，[12]它表现了中国古代传统科学思维方法——“取象比类”方法，展示事物性质，具体在天象（太阳，黑子，星体等）的描述中，说明它们视直径，视大小，或者亮度等。现代天文气象学地平坐标系“天球”定义为：以观测者为球心，以任意长为半径所作的假象球面，故球面上星体的视距离、视高度、视直径只能用角度为单位表示。古人有这种本能把半径十余米的假想天穹作为标准投影面，它和现代人一切都用仪器来精密测量，而修建的天文馆天象厅，有异曲同工之处。[13]

表2 世界一些大型天象厅及穹幕影厅的直径

天象厅（国家） 直径（米）

北京天文馆（中国）

上海天文馆（中国）

筑波天文馆（日本）

莫斯科天文馆（俄罗斯）

圣彼得堡天文馆（俄罗斯）

布鲁德斯莱斯天文馆（比利时）

维莱特天文馆（法国）

背哈拉天文馆（捷克）

阿姆斯特丹天文馆（荷兰）

杜塞尔多夫天文馆（德国、已毁）

福利特空间剧场（美国） 23.5

23

27

23.7

24

24

26

23.5

25

30

23.2

从表2中可以看出，大型天象厅的直径多为23—27米，与陶寺古观象台古人目视测天时的天球尺寸，第二道夯土挡墙墙内填土为黄褐色，其半径大约有24米不谋而合。此结果令人惊讶，它竟与4300年前中国古代尺度体系的假想天球半径相当吻合。

3.3 十二个观测缝的天文气象模拟观测过程及时空分析

原始时空观是人类对宇宙现象长期观测的结果，是对时空运行规律的认识或知识体系，通过它，古人知道空间的四方——东西南北；通过它，圆更圆，方更方，房屋平面变得规则了，通过它时间中产生一年、四季和节气，诞生了最初的历法。太阳是地平面上最常见、最容易观测到的天体，所以古人建立陶寺古观象台观测太阳，它由一个观测中心点和13个土柱，中间夹着12跳缝隙。[14]中国古代的祭祀遗址，一般都带有天文历法功能，由观测点找到冬至时所观测的狭缝（从南向北数第2条），以及对应塔儿山的东南山峰，同时也找到夏至与第5条狭缝相对应的塔儿山主峰，并和主峰顶的宝塔连城一线。在春秋分附近则是通过第7条狭缝，它与塔儿山主峰以北的小山头对应，至此可从这些夯土柱中间看到12条狭缝，第2条对应冬至，第3条缝是大寒日出的观测缝，第7条对应春秋分，第12条对应夏至。[15]

表3 日出通过狭缝日期

狭缝

序号 日出通过与

狭缝日期 相邻狭缝与

间隔日期 公历中的

中气日期

12 6.21 32 6.21夏至

11 7.23 22 7.23大暑

5.20 24 5.21小满

10 8.14 19

9.26 10

9 9.2 12 8.23处暑

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

从表3记录各狭缝间相隔日数的数据表明：各土柱夹角位于6.5度-8度之间，每两个狭缝之间象征着一个节气，即一个土柱为一个节气，太阳在冬至前后通过一个土柱需要32-33天，在夏至前后也为32天，二者所需天数相似。夹角变化7度约需33天；而在春秋分前后，太阳南北位移速度相对较大，只需9-10天就通过一个土柱；有此可见冬、夏至缝隙最有实用价值，它暗示古代先民对节气的认识经历了一个漫长的过程，而陶寺天文气象观测正好处于4000多年前萌芽状的节气观测系统时期，这两个缝隙标志具有制定历法的实际意义，也为后世形成的二十四节气为参照基准，中国古代历法家也正是一直保持这一传统制订历法的。

3.4 陶寺观象台与自然山峰背景时空关系

陶寺天文遗迹其重要特点：以自然山峰做衬托，人工建筑与天然背景相融合，天人合一，构成一个巨大的天文照准系统。用来观测日出方位以制定历法，陶寺天文气象观测台的背景山叫做“崇山”。《尚书.尧典》（梅赜本在《舜典》）：“放驩兜于崇山”。《山西志辑要》（卷二，平阳府）亦谓塔儿山“昔称卧龙山，即古之崇山”。《山海经.海外南经》引《山海经》作“尧葬狄山之阳，一名崇山”；[15]《论衡.书虚篇》“尧帝葬于冀州，或言葬于崇山”。文献记载夏禹的父亲鲧就封在崇山，称为“崇伯鲧”（《国语.周语》），因治河无方被尧帝诛杀，嗣封称为“崇禹”（见《逸周书.世俘解》）。《国语.周语上》及《郑语》载“昔夏之兴也，融降于崇山”。有学者认为上述尧瞬时期鲧禹的封地“崇”就在今陶寺东南的崇山。《史记.夏本纪》刘起釬注译：鲧居地在崇（山西襄汾、冀城、曲沃之间的崇山），称崇伯。

4 陶寺古观象台对现代天文气象学意义

4.1 中国古代先民建立了世界最早的古观象台

距今4300年前山西陶寺古天文气象观测台遗址有明确的观测点，它的发现拟补了商周以前中国古天文气象学发达水平知之甚少，它展示了新石器时代中国古代文明进步程度，陶寺古观象台遗址，其材质取自当地粘黄土、砂土，运用了原始天文气象观测学、原始几何图形学、原始建筑工程学等原理，构建了中国现存最早的古观象台，凝聚了距今4300年前中国古代先民文化智慧的结晶。

4.2 建立起世界上最早的天文气象观测系统

在距今4300年山西陶寺古观象台遗址，以自然山峰做衬托，人工建筑与天然背景相融合，天人合一，构成一个巨大的天文气象照准系统。陶寺天文气象观测系统内容成果：

4.2.1测量大地方位：在“寅宾出日”、“寅饯纳日”等活动中得到“东作”、“西成”方向，确定日出、日落方位，并确定正东、正西方向。

4.2.2观测日出、日落方位定节气：从陶寺古观象台夯土柱中12条狭缝，第2条对应冬至，第7条对应春秋分，第12条对应夏至。此时日出达最南方向之日就是冬至，达到最北端就是夏至。春分日出在“旸谷”方位，秋分日落“昧谷”方位，《尧典》载“旸谷”、“昧谷”指自然山谷为背景标志的日出入方位，即陶寺古观象台背景山——塔儿山又称崇山。

4.2.3“期三百有六旬有六日”：测得日出方位以后，太阳先后两次到达冬至（或夏至）日出方位的时间间隔，就是一个回归年。测得一回归年的长度（虚日数），这是编制太阳历的基本数据和基础。

4.2.4观测昼夜长短：观测“日中”、“宵中”即昼夜长短相等的日期是春秋分，“日永”“日短”即白昼最长及最短的日期是夏至、冬至。

古代先民对太阳认识逐步加深，认为太阳是气象、气候变化及农业生产活动之源，在没有产生文字之前，古代先民用质朴的、抽象的、形象化的图画，图形记录其观察天文气象结果，（它们是产生文字基础）并抒发自己对太阳的感悟，经思考分析总结，摸索着实际应用于农业生产过程，用实证方法，构建形成了人类早期天文气象原始的启蒙思想，准确测定冬至、夏至、春分、秋分，建立四季和节气等气候概念，比甲骨文记录天象的象形文字早1300多年，在这漫长一千多年中，因为没有产生系统文字，也就缺乏文字记录，但我们通过今天用遗存的陶寺古观象台遗址，及出土的大量实物等，用逻辑方法和后续中国古代文献记录的佐证、考证、揣测、假设、推理和演绎其整个过程，可以认为：人类早期是从观察太阳开始，利用太阳温暖阳光给地球环境带来的酷暑严寒，风霜雨雪，从事原始农业生产，使太阳和原始先民的农事生产、及生活紧密相连，因而形成了早期农业天文气象学的萌芽，并在陶寺地区建立起世界上最早的天文气象观测系统，把中华民族把对太阳的观测、崇拜和远古以来原始农业、及早期天文气象学思想的萌芽推向一个新的高峰。

5 结论

5.1、陶寺文化遗址处于温暖湿润气候，优越的地理环境：距今四五千年，正处于气候波动和暖的亚稳定湿暖期，陶寺文化遗址位于黄河中游地区，分布区域临汾盆地，土地肥沃，温暖偏湿润的气候，河流众多，当时植被是暖温带落叶阔叶林，动植物资源丰富，为陶寺古代先民提供良好的生产、生活繁衍、适宜生存的气候及自然环境条件。

5.2、新石器时期陶寺遗址城社会经济发展程度相当发达，为中国古代文明及天文气象观测奠定技术、物质、文化基础：陶寺文化遗址社会经济发展到一个相当发达程度，首先表现为大量的石器生产工具，农业进入“刀耕火种”的精细化阶段，这一时期出现铜的冶炼、铸造技术，手工业生产出许多精美的陶器、玉器、骨器，同时出现古代最早文字刻在陶罐上，出现最早建筑材料石膏及陶瓦板材。这些为当时中国古代文明和天文气象观测系统建立奠定技术和物质基础。

5.3、古人目测天象时，其天象长度和取象比类描述记录分析：陶寺古观象台地面目测天象半径，形成古人观测天象一套独特系统，它表现了中国古代传统科学思维方法——“取象比类”方法，展示事物性质，具体在天象（太阳，黑子，星体等）的描述中，说明它们视直径，视大小，或者亮度等。

5.4、中国天文气象学四季思想已经基本成型，天文历法雏形已基本形成：中国古代的祭祀遗址，一般都带有天文历法功能，陶寺遗址其夯土柱中间看到12条狭缝，第2条对应冬至，第7条对应春秋分，第12条对应夏至。

5.5、建立起世界上最早的天文气象观测系统：在距今4300年山西陶寺古观象台遗址，以自然山峰做衬托，人工建筑与天然背景相融合，天人合一，构成一个巨大的天文气象照准系统。古代先民对太阳认识逐步加深，在陶寺地区建立起世界上最早的天文气象观测系统，把中华民族把对太阳的观测、崇拜和远古以来原始农业、及早期天文气象学思想的萌芽推向一个新的高峰。

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作者简介

周京平（1961-），北大信息管理系硕士研究生班毕业，中国气象局图书馆工作。