天文台的兴建及天文观测活动  

    1.天文台的兴建  

        天文学的发展离不开天文台的兴建和大量的实地天文观测。元代在上都（今内蒙古正蓝旗境内）、大都（今北京）、登封（今河南省登封县）等地修建了多处天文台。  

    （1）上都天文台  

       1271年，世祖忽必烈在上都主持兴建了上都天文台，并任命回回人扎马鲁丁负责具体工作。《元史》卷九十记载：“至元八年（1271年）始置司天台”，卷七又载：“设回回司天台官属，以扎马鲁丁为提点。”提点即此天文台的最高领导者，相当于现代天文台的台长。同时有一套完整的行政机构，叫司天监，掌管观测天象、制定历法工作。工作人员除提点外，尚有“司天监一员，少监二员，监丞二员，品秩同上。知事一员，令史二员。通事兼知印一人，奏差一人，属官、教授一员。天文科管勾一员，历算科管勾一员，三式科管勾一员，测验科管勾一员，漏刻科管勾一员，阴阳人一十八人。”可见其规模之宏大，管理之严密。  

       据对上都天文台遗址的考察，知其位于上都故城北门位置间。东西 132米，南北52米，高约12米，平面呈凹字形。它的两侧和城墙连成一体，为整个城垣的组成部分，但高于城墙，后壁突出墙各1米。土木结构，分3组5个建筑面，残存物只有一些长方砖、手印纹方砖及黄、蓝、绿、孔雀蓝等琉璃残筒瓦，说明台上原应有其它建筑物，符合中国传统的城阙建筑形式。  

    （2）大都天文台  

       据史料记载，大都天文台系元世祖忽必烈于1279年批准兴建。其地选择在“都邑东墉下”，即今北京建国门外泡子河北。又名灵台，由太史院主管。整个建筑南北100丈，东西25丈，高7丈，共3层。下层为太史院办公地点，中层收藏图书及室内仪器，上层为露天观测台并放置仪器之所。这些仪器据《元史》记载有浑天仪、简仪、仰仪、星晷定时仪、高表、候极仪、正仪及仪座等。 

        大都天文台建筑规模宏大，设备仪器完善，工作人员众多，管理也十分严格。其负责时间之人观测高表、仰仪、日晷，并和滴漏校对；负责历算之人则在中层查阅资料，计算新的历法。白天晚上均有人工作，白天负责整理前夜观测结果，拟订当夜观测计划，夜晚分不同方向操作浑天仪、简仪等凝视着深邃的夜空。观测项目包括日月出没、未命名之星、日食月食、天极位置、彗星流陨、异常天象等。遇有异常天象，当晚还需整理出来上奏朝廷。  

       元大都天文台是当时世界上规模最大、设备最完善、管理最科学的天文台之一。明清两代又对其进行了修葺扩建。  

    （3）登封天文台  

       登封天文台又叫“观星台”，遗迹在今河南省登封县东南15公里的告成镇境域，世祖至元十三年（1276年）修建。今保存比较完好，是我国以至世界的重要天文遗迹之一。其结构一是由回旋踏道簇拥着的巍峨台身，二是由台身北壁凹槽内向北平铺的石圭。台身颇似覆斗，高9.46米，连小室通高12.62米。台顶平面呈方形，每边长8米多，底边16米多。台北壁正中的凹槽进壁是测影的“高表”。直壁与石圭间隔36厘米，是横梁下垂悬球之地，用以检验横梁和石圭间的垂直关系及高差。石圭与直壁、横梁是一组观测日影的仪器。梁影投在圭上，圭就像一把尺子，可以量出表影长度，故又称“量天尺”。另外，登封天文台上当时还放有各种天文仪器和计时仪器，是一座规模较大，设备颇完善的天文台，对元代的天文学发展起过很大作用。  

        元政府除修建了上都、大都和登封天文台外，另在南海（今广东）等地也修建了大小不等的多处天文台。 
  
    2.天文的观测  

        大批天文台及天文观测站的修建设立，以及元代的疆域空前扩大，为天文观测提供了良好的条件。至元十六年（1279年），元著名天文学家郭守敬上奏元世祖忽必烈说：“唐一行开元间令南宫说天下测景（影），书中见者凡十三处。今疆宇比唐尤大，若还远方测验，日月交食分数时刻不同，昼夜长短不同，日月星辰去天高下不同，即目测验人少，可先南北立表，取直测景。” 郭守敬的建议得到了元世祖的同意与支持，于是在原有上都、大都、登封等五处司天监、天文台的基础上，在元朝统辖的范围内陆续建立了 27所观测台站。其范围之广、覆盖面积之大为前代所无。其最北的北海测景所，据推算应在北纬 64°5＇的地方，已达北极圈附近；最南的南海测景所亦达占城（今越南南方）。《元史》卷一三《世祖纪》十记载，至元二十二年（1285年）三月，曾遣太史监侯张公礼、彭质等前往占城测候日晷。 

 

       正是在这种非常有利的条件下，元代不少天文学家与监候官，分道外出，远达极北南海进行实地天文观测。他们“由上都、大都，历河南府、抵南海，测验晷景（日影）。”这样大规模的实测活动，只有元朝这样疆域空前扩大，中外交流空前活跃的历史时期才能实现，“是亦古人之所未及为者也。”由于这些科学家的努力，所以元朝天文观测在测定黄赤大距和恒星观察方面，取得了远超前代的突出成就。 

       黄赤大距是指黄道面与赤道面由于不在同一水平面上而相夹形成的角度，元代叫做“黄赤道内外极度”，现代天文学上则叫“黄赤交角”。这个交角就是地球赤道面和地球公转轨道面的交角，其数据为天文学中最基本的数据之一，它的精确与否直接影响其它计算结果。元代以前，由于观测精度不高，长期以来一直认为黄赤大距为24度。元代时郭守敬等人利用新制的天文仪器对黄赤交角进行了重新测量，得出“黄赤内外度，据累年实测，内外极度二十三度九十分”的数据，并用数学方法进行了验证，“以圜容方、直、矢接勾股为法，求每日（日、月）去极，与所测相符。”这个数据折合现代的度分秒是23°33′5.3″，与现代天文学对黄赤交角的理论推算仅有1＇6.8″的误差。这在六、七百年以前是非常了不起的事情，在当时世界范围内也是最精确的数字。元代前后，有不少天文学家测定过黄赤交角。如10世纪初的著名阿拉伯天文学家阿尔·巴塔尼测得为23°53＇，15世纪中亚天文学家兀鲁伯测得为23°30＇20″，均没我国元代所测精确。  

       元代的天文观测对恒星的测定数据也是非常先进的。我国古代对于恒星位置的观测，主要是以观测二十八星宿为基础的。古人把黄道附近的星分为二十八宿，每一宿用一星为代表，叫做“距星”，两距星之间的距离叫做“距度”。这一距度的测定工作，在古代天文测量中占有重要地位。元以前曾进行过五次距度测量，但误差较大。以北宋崇宁年间的一次为例，其绝对误差总和为4°32＇，平均为9＇。而元郭守敬等人所测绝对误差总和为2°10＇，平均只有4.5＇，比前精确度提高一倍。另外元代郭守敬等人还对二十八宿中杂座诸星进行了测量，测出前人未命名星1000多颗，总数达2500多颗，而欧洲文艺复兴前所测的星只有 1022颗，可见其在世界范围内亦属领先地位。