圭表的发展及其影响因素

圭表是由垂直的表和水平的圭组成的。圭表的发展比较缓慢，主要原因是受到外在参数的影响。这些外在参数是指对天球结构的认知与对光学技术的掌握等方面。因此，这些影响直接导致圭表表高的变化。以下就通过圭表主要参数的变化来了解圭表的发展。

1.材料

图2-5 圭表辨正方位的方法

圭表最早使用木材制作，自汉以来，始用铜表，而圭的材料一般是用石材或铜，《宋书·律历志》载，祖冲之称“铜表坚刚，暴润不动，光晷明洁，纤毫尽然”（沈约，1975）。这显示古人已注意到材料的物理变化对圭表量测精度的影响，而铜质圭表之于木质者，其物理特性要好些。

2.圭表的安置

圭表的安置需要注意表的垂直度、圭面的水平度、圭中线和子午线的重合度。古人很早就总结出了圭表安置的要诀，《考工记》载：“匠人建国，水地以县，置槷以县，视以景。为规，识日出之景与日入之景。昼参诸日中之景，夜考之极星，以正朝夕。”（阮元，1989）2004后来随着新技术与方法的使用，圭表的测量精度不断提高。在定圭面的水平度方面，《隋书·天文志》载“梁天监中，祖暅造八尺铜表，其下与圭相连。圭上为沟，置水以取平正”（魏征 等，1983）524，其后皆不出其制。

在定中线和子午线重合度方面，《淮南子》（刘安，1967）25、南北朝祖暅、北宋沈括皆以三表并用来定南北方向，但方法互有差异，其中祖暅的方法为：“先验昏旦，定刻漏，分辰次。乃立仪表于准平之地，名曰南表。漏刻上水，居日之中，更立一表于南表影末，名曰中表。夜依中表，以望北极枢，而立北表，令参相直。三表皆以悬准定，乃观。三表直者，其立表之地，即当子午之正。”（魏征 等，1983）522-523

3.表的高度

圭表表高的变化，体现了天文思想与科学技术的进步。

立表的高度与地理纬度决定了冬夏二至等节气的表影长度。中国古代最早使用八尺之表，虽然史料没有记载，但据考证，应始于公元前9世纪左右，或东、西周之交（陈美东，1986）。秦朝之后仍大都用八尺之表的古制。故《周礼注疏》记载“夏至景尺有五寸，冬至景丈三尺”（阮元，1989）2004的数据，一直到魏晋之前，仍影响着圭表测影的工作。

4.光学仪器的运用(www.xing528.com)

“按表短则分寸短促，尺寸之下所谓分秒太半少之数，未易分别；表长则分寸稍长，所不便者景虚而淡，难得实影。”（宋濂，1977）996传统惯用的八尺之表，其表影的量测一般能得到实影，然日影之差行，当冬夏二至前后，进退在微芒之间，以及影长的测定因太阳之于圭表并非点光源，造成表端的影子有本影和半影之分与日光的散射等影响，若没有测影技术的改进或表高的增长，无法有效地提高测影精度。在前人所提出的改革中较重要而具体的有北宋沈括的《景表议》、苏颂的浑仪圭表及元朝郭守敬的高表。

（1）沈括的《景表议》

北宋熙宁七年（1074年），在沈括上奏的《景表议》中，对圭表提出了两项在光学技术上的改进。其一是针对日光散射问题提出的改善，“为密室以栖表，当极为霤，以下午景，使当表端”（脱脱 等，1983）965-966；其二是以一副表解决半影所造成影虚而淡的问题，“副表并趺崇四寸，趺博二寸，厚五分，方首，剡其南，以铜为之。凡景表景薄不可辨，即以小表副之，则景墨而易度”（脱脱 等，1983）965-966。

（2）苏颂的浑仪圭表

北宋苏颂于元祐年间（1086—1092）建造了水运仪象台，将浑仪与圭表两个重要的测天仪器结合在一起，其巧妙之处是以望筒根据光的直进原理，将正午的阳光直接照射在圭面上，可以相对地提高测量的精度。其方法在《新仪象法要》中有详细记载“常于午正以望筒指日，令景透筒窍至圭面，以窍心之景指圭面之尺寸为准”（苏颂，1983）129-130，则：“望筒所以上考时刻，五星留逆徐疾，日道升降，去极远近；圭面所以下候二十四气晷景之长短。二法相参，则气象与上象相合，考正历数，免有差舛。”（苏颂，1983）130

（3）郭守敬的高表

圭表之法，表短则分秒难辨，表长则晷影虚淡。郭守敬所以立四丈之表，乃是使用横梁与景符之故。横梁是用来取日中之景；景符是一个利用针孔成像原理的光学装置。景符可以在圭面上移动并调节其铜片的倾角，当太阳、横梁及铜片上的小孔等三者恰成一直线时，在圭面上正好可以看到太阳的像，并在日像的中间有一清晰的横梁影像，如此可以精确地测得日面中心在圭面上的位置。为操作方便，景符上的圆孔后人曾改以直缝取代之（张廷玉 等，1975）362-363。据《元史·天文志》及《明史·天文志》记载横梁、景符其制分述如下。

横梁：“上高三十六尺。其端两旁为二龙，半身附表上擎横梁，自梁心至表颠四尺，下属圭面，共为四十尺”（宋濂，1977）996，“日体甚大，竖表所测者日体上边之影，横表所测者日体下边之影，皆非中心之数”（张廷玉 等，1975）362-363，“今以横梁取之，实得中景，不容有毫末之差”（宋濂，1977）997。

景符：“景符之制，以铜叶，博二寸，长加博之二，中穿一窍，若针芥然。以方框为趺，一端设为机轴，令可开阖，榰其一端，使其势斜倚，北高南下，往来迁就于虚梁之中。窍达日光，仅如米许，隐然见横梁于其中。”（宋濂，1977）997