夏至 | 日長(zhǎng)之至

根據(jù)我國(guó)唯一的歷書(shū)編算機(jī)構(gòu)——中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)的計(jì)算，北京時(shí)間6月21日11時(shí)32分，我國(guó)將迎來(lái)農(nóng)歷二十四節(jié)氣中的“夏至”。

何謂夏至

“日北至，日長(zhǎng)之至，日影短至，故曰夏至”。早在商周時(shí)期，中國(guó)古人已通過(guò)土圭測(cè)影發(fā)現(xiàn)春夏秋冬四季變化與太陽(yáng)正午時(shí)的日影長(zhǎng)短變化之間的關(guān)系，并由此最早確定了二十四節(jié)氣中的春分、夏至、秋分和冬至。

太陽(yáng)在夏至日的周日視運(yùn)動(dòng)示意圖| 圖源：作者

從太陽(yáng)周年運(yùn)動(dòng)和周日運(yùn)動(dòng)可以知道，地球的自轉(zhuǎn)軸傾角（即黃赤交角~23°26′）是造成一年四季變化的主要原因。當(dāng)太陽(yáng)運(yùn)行到赤道最北處，直射北回歸線時(shí)，北半球白晝最長(zhǎng)，正午的太陽(yáng)最高，垂直物體的影子最短，這天就被叫做夏至。

過(guò)了這天，太陽(yáng)就會(huì)轉(zhuǎn)身南下，因此北回歸線穿過(guò)的地區(qū)又被稱(chēng)為“太陽(yáng)轉(zhuǎn)身的地方”，如我國(guó)的汕頭、從化、桂平、墨江、蒙自等地。夏至正午，這些地區(qū)還會(huì)出現(xiàn)“立竿無(wú)影”的有趣現(xiàn)象，因?yàn)樘?yáng)光是從天頂直射下來(lái)。夏至傍晚，北半球的居民也將目睹一年中持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的暮色黃昏。

夏至日太陽(yáng)直射北回歸線 | 圖源：紫金山天文臺(tái)

計(jì)算方法

二十四節(jié)氣到西漢時(shí)期已經(jīng)完備，其名稱(chēng)順序和現(xiàn)在完全一致。作為我國(guó)傳統(tǒng)歷法的獨(dú)創(chuàng)和重要組成部分，二十四節(jié)氣直接決定了歷法中月份的名稱(chēng)和順序以及閏月的設(shè)置，而且因其反映了季節(jié)變化、農(nóng)時(shí)物候，在指導(dǎo)和安排農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活方面起著重要作用，在我國(guó)可以說(shuō)是家喻戶曉，并為海外華人廣泛使用。2016年11月30日，二十四節(jié)氣成為中國(guó)第39個(gè)世界級(jí)非物質(zhì)文化遺產(chǎn)。

從西漢太初時(shí)期頒布的《太初歷》開(kāi)始，二十四節(jié)氣首次被正式訂入歷法，自此兩千多年來(lái)，中國(guó)傳統(tǒng)歷法對(duì)二十四節(jié)氣的計(jì)算從未間斷過(guò)。新中國(guó)成立以后，紫金山天文臺(tái)每年承擔(dān)編算的專(zhuān)業(yè)天文歷書(shū)和民用日歷資料中也都載有二十四節(jié)氣。

《太初歷》中對(duì)節(jié)氣的計(jì)算遵循平氣的方法，即假設(shè)太陽(yáng)在黃道上的周年視運(yùn)動(dòng)是均勻的，將周年視運(yùn)動(dòng)的周期即一個(gè)回歸年長(zhǎng)平均分為二十四等份，每個(gè)等分點(diǎn)為一個(gè)節(jié)氣。根據(jù)冬至?xí)r間起始點(diǎn)和回歸年長(zhǎng)就可以推算得到此后任意節(jié)氣的時(shí)間，而回歸年的測(cè)定可以通過(guò)積累多年的冬至日期觀測(cè)資料得到比較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

但實(shí)際上太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)是不均勻的，冬至前后運(yùn)動(dòng)快，夏至前后運(yùn)動(dòng)慢，平氣顯然有違中國(guó)歷法講求的密合天行的原則。因此，按太陽(yáng)位置來(lái)等分的定氣方法自然而然就取代了平氣。具體是，將太陽(yáng)運(yùn)行的軌道即黃道劃分為二十四個(gè)等分點(diǎn)，太陽(yáng)在黃道上移動(dòng)時(shí)經(jīng)過(guò)各等分點(diǎn)的時(shí)間就是一個(gè)節(jié)氣。黃道上的度量坐標(biāo)叫做黃經(jīng)，因此每個(gè)節(jié)氣的位置都有對(duì)應(yīng)的黃經(jīng)度數(shù)，比如夏至?xí)r太陽(yáng)的地心視黃經(jīng)等于90度。

于是，節(jié)氣時(shí)間的計(jì)算轉(zhuǎn)換為兩部分：建立太陽(yáng)位置隨時(shí)間變化的計(jì)算模型，和根據(jù)太陽(yáng)位置函數(shù)反求時(shí)間引數(shù)的數(shù)值方法。其中太陽(yáng)位置計(jì)算模型涉及基本天文學(xué)的重要研究工作，包括太陽(yáng)系基本歷表的研制，時(shí)間系統(tǒng)的定義和轉(zhuǎn)換，參考系的定義和轉(zhuǎn)換，天文常數(shù)系統(tǒng)的建立等?？梢哉f(shuō)，節(jié)氣的計(jì)算模型和精度能夠反映基本天文學(xué)的發(fā)展成就。

目前，紫金山天文臺(tái)建立的節(jié)氣計(jì)算模型遵循國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)、地球自轉(zhuǎn)和參考系服務(wù)關(guān)于基本天文學(xué)的決議和規(guī)范。

夏至正午時(shí)紫金山天文臺(tái)明代圭表和日影（右） | 圖源：紫金山天文臺(tái) / 陳向陽(yáng)

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

節(jié)氣的計(jì)算關(guān)乎太陽(yáng)的位置計(jì)算模型，那么模型精度的差異就會(huì)影響節(jié)氣的計(jì)算結(jié)果。比如公開(kāi)發(fā)行的2013年日歷中的冬至日期有不同的版本，給使用帶來(lái)了混亂。因此，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委和中國(guó)科學(xué)院的大力支持下，紫金山天文臺(tái)承擔(dān)起草的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《農(nóng)歷的編算和頒行》于2017年發(fā)布和實(shí)施。

其中明確規(guī)定了農(nóng)歷包括二十四節(jié)氣的計(jì)算模型和精度：太陽(yáng)的位置按國(guó)際地球自轉(zhuǎn)和參考系服務(wù)規(guī)范規(guī)定的模型計(jì)算，節(jié)氣計(jì)算精度應(yīng)達(dá)到1秒。該標(biāo)準(zhǔn)的首次制定，為包括節(jié)氣在內(nèi)的農(nóng)歷編算提供了科學(xué)的規(guī)范依據(jù)，對(duì)確保公開(kāi)發(fā)行的農(nóng)歷日歷的準(zhǔn)確性，有效維護(hù)國(guó)家歷法應(yīng)有的嚴(yán)肅性和統(tǒng)一性有重要意義。

答疑解惑

〇 夏至日出最早，日落最晚嗎？

由于歷算工作最接近百姓生活，因此日常會(huì)接到不少群眾來(lái)信提問(wèn)，有關(guān)夏至的常見(jiàn)問(wèn)題有：夏至白天最長(zhǎng)，但為什么這天的日出不是最早，日落也不是最晚呢？以今年北京的日出、日沒(méi)時(shí)間為例，日出最早在6月12至17日，為4時(shí)45分，日落最晚在6月22日至7月初，19時(shí)47分，確實(shí)夏至的出沒(méi)時(shí)間既不是最早也不是最晚。其中緣故其實(shí)與我們采用的時(shí)間系統(tǒng)有關(guān)。

日出而作，日落而息。人類(lèi)選擇根據(jù)太陽(yáng)的周日運(yùn)動(dòng)來(lái)安排生活生產(chǎn)。以真實(shí)的太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)為依據(jù)確定的時(shí)間叫做真太陽(yáng)時(shí)。在真太陽(yáng)時(shí)系統(tǒng)中，夏至這天必定是日出最早且日落最晚，但由于真太陽(yáng)時(shí)的不均勻性，我們?nèi)粘Ｋ檬且约傧氲奶?yáng)平均運(yùn)動(dòng)為依據(jù)得到的平太陽(yáng)時(shí)。

太陽(yáng)赤緯-時(shí)差變化圖（左）/ 太陽(yáng)全年軌跡圖：一年里每隔一周在固定地點(diǎn)、固定時(shí)間、以固定角度拍攝太陽(yáng)后合成（右） | 圖源：紫金山天文臺(tái) / National Geographic

真太陽(yáng)時(shí)與平太陽(yáng)時(shí)的差值叫做時(shí)差，一年中時(shí)差的變化如圖所示，可以看到6月份的時(shí)差值逐漸減小。不難得到，夏至與它之前日期的平太陽(yáng)時(shí)的日出時(shí)間比較，因?yàn)闇p去了更小的時(shí)差，結(jié)果變大了，所以不是日出最早；而相反的，夏至與它之后日期的平太陽(yáng)時(shí)的日沒(méi)時(shí)間比較，因?yàn)闇p去了更大的時(shí)差，結(jié)果變小了，所以不是日沒(méi)最晚。

當(dāng)然，這是對(duì)地球上絕大部分地區(qū)而言。我們知道越往北白晝?cè)介L(zhǎng)，而等你進(jìn)入北極圈（北極點(diǎn)23°26′范圍內(nèi)）后會(huì)出現(xiàn)日不落，夏至日是唯一一天全域都日不落的，沒(méi)有日落就沒(méi)有所謂早晚了。

〇 每年夏至都在6月21日嗎？

首先，從前面的定義可知，夏至這個(gè)時(shí)間點(diǎn)是北半球共同的，不管你在哪個(gè)國(guó)家和地區(qū)，今年的夏至就發(fā)生在世界時(shí)（UTC）6月21日3:32。在中國(guó)，就是北京時(shí)間6月21日11:32。

雖然大多數(shù)年份的夏至都在6月21日，但也有可能在6月22日或6月20日。中國(guó)上一個(gè)6月22日的夏至是2015年（北京時(shí)間00:37），而下一個(gè)6月20日的夏至是2048年（北京時(shí)間23:53），而且到本世紀(jì)末中國(guó)不會(huì)再有6月22日的夏至了。大家知道為什么民間流行的不同版本日歷上的節(jié)氣有時(shí)會(huì)差一天了吧！

〇 夏至太陽(yáng)離我們最近嗎？

恰恰相反。事實(shí)是，夏至之后兩周左右，地球運(yùn)行到遠(yuǎn)日點(diǎn)。所以，夏至附近其實(shí)是一年中太陽(yáng)離我們幾乎最遠(yuǎn)的時(shí)段。前面已經(jīng)提到，造成四季更替的原因主要是地球自轉(zhuǎn)軸的傾角，而非太陽(yáng)離我們的遠(yuǎn)近。

最后，“冬至餃子夏至面”。夏至，別忘了吃面。

作者簡(jiǎn)介

成灼：中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)“歷算和天文參考系研究團(tuán)組”副研究員。研究方向：歷書(shū)編算。負(fù)責(zé)《中國(guó)天文年歷》、《航海天文歷》和民用日歷等的編算。

撰文：成灼

繪圖：王科超

編輯：王科超、高娜