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大,前后延续了好多年,直至至元11年,忽必烈才正式坐上新完成的宫殿接
受朝贺。而大都的城垣,要到至元20年 (1283年)发动侍卫军10 000人助
修,方始竣工。这就是现今北京的前身。
至元8年(1271年)时,忽必烈采纳刘秉忠的建议,仿前朝正式建立国
号,“大元”。将中统年号改为“至元”。接着把正在建造的新都城改称大
都,以前称中都。从此,中都和大都并称。也就在这年,郭守敬被任命为都
水监,负责掌管全国河渠水利的经营治理工作。
至元11年,这时北方已经稳定。忽必烈在遣兵东征的同时,派太尉同知
枢密院事的大将伯颜自襄樊南下,开始大举伐宋。年底占领鄂州。第二年年
初,水陆并进沿长江东下,陆续攻下黄州(今湖北黄冈)、安庆、太平州(今
安徽当涂)。他一面分兵西攻江陵,一面相继东进建康(今江苏南京)、镇
江,并汇合华北南下人马,接连取得了长江南北各处重镇。7月间,对峙在
镇江、瓜州周遭的宋、元水陆主力大军,各以战舰万艘,围绕长江江心的焦
山进行了一场空前的决战。最后,宋军大败,伯颜回京师述职,忽必烈升任
他为中书右丞相,命他率领诸将继续南征,不使宋室有喘息的机会,直趋南
宋都城临安 (今浙江杭州)。
元朝向来重视驿站。这次伯颜为了便于就扬子江南北的军政大事与大都
方面的联系,并取得华北平原对前方的军需供应,商议在原有陆路驿站之外,
设立水路驿站,相互配合以提高通信和交通效能。他委派郭守敬去考察今河
北、山东、江苏等地区的水道交通情况,确定水路交通路线。至元12年(1275
年),郭守敬经过必要的实地视察,定下了中原地区这样五条河渠干线:
一、自陵州(今山东济宁市)至大名(今河北大名东南),那里有马颊
河及卫河通运河。
二、自济州(今山东济宁市)至沛县(今江苏沛县),又南至吕梁(在
今江苏徐州东28公里废黄河北),那一段有山阳湖(今昭阳湖),在运河旁,
并和微山湖相接。
三、自东平(今山东东平)至纲城。
四、自东平至清河(故址在今山东东平西北黄河之南),向北越过黄河
故道,接御河。
五、自卫州(今河南辉县)通御河至东平,又自东平西南的梁山泊再回
通到御河。
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于是,大都南方,华北平原的中心,及其四周一大片地区与御河及大运
河连接成水道交通网,由郭守敬筹划描绘下来上报。最后由伯颜呈准忽必烈,
决定西起卫州,中以东平为枢纽,东连鲁中、南,南迄徐州,吕梁的黄河下
游,北接运河直到杨村,建立水驿。这在相当程度上便利了元朝中央政府的
指挥联系和军事运输,加强了伯颜南下攻宋的力量。
此后不久,都水监并到工部,郭守敬随之转入工部改任郎中官职,仍旧
负责河工水利。尔后,他还对黄河中游地区的地形以及京汴沿途的大地水平
进行了测量,这段时间,他在工作中的成绩是很突出的。
长期负责河工水利,使郭守敬思想中逐渐形成了一个地形相对高度的概
念。测量地形高低需要一个基准,以作比较。郭守敬根据他所得的资料,曾
经以大都东边的海平面为基准,将大都的水平高度与海平面作了比较。他进
而又将大都至开封一线上的逐段与海平面作了比较。他所做的,确是一项重
大而紧要的大地水平测量工作。他得出的结论是:开封离海很远,高程差的
较多,致水湍急;大都距海极近,高程相差甚小,故水流缓慢,这是我国首
次创设了用海平面以上的标高来表达地形高低的办法,在地理学与测量学上
有重要的意义,即使在世界上亦远比西方早多了。
三、创制仪器观天文
我国是天文学很发达的国家之一。西汉以后,国家天文台的组织和设备
已达到相当完善的地步。它的主要任务之一是编制历法。我国的古代历法,
内容是十分广泛的。它包括日月运动及其位置的推算、逐年的日历编制、五
大行星位置的预报、日食、月食的推算等等。历法关系到生产、生活甚至政
治活动等很多方面。因此,对这项工作历来都是相当重视的。一种历法用久
了,误差就会逐渐显著,因而需要重新修改。跟着每次重大历法的修改,总
会带来一些创造革新的进步,象基本天文数据的精密化、天文学理论的新成
就或计算方法上的新发明等等。历法的发展可以说是中国天文学发展史上的
一条主线。
元朝初年沿用当年金朝的“重修大明历”。这个历法是1180年(金世宗
大定20年)修正颁行的。几十年来误差积累日渐显著,发生过好几次预测与
实际天象不符的事。再一次重修是迫切需要的事了。
元世祖迁都大都(今北京),采纳了已死大臣刘秉忠的建议,决定改定
旧历,颁行元王朝自己的历法。于是,元政府下令在新的京城里组织历局,
调动了全国各地的天文学者,另修新历。
忽必烈把建立太史局的具体工作,交给了当时负责教育工作的王恂,王
恂认为当时的治历人员都只知编历的方法,不明制历的原理,在他的建议下,
元政府把已告老回乡的许衡召回来,主持改历工作。为了郑重其事,又派昭
文馆大学士张文谦,总管改历工作。郭守敬虽然在水利部门任职,但他精通
天文历算,早已众所周知,在老同学王恂的推举下,忽必烈将郭守敬抽调出
来,到太史局与王恂一起主办改历事宜。从此,在郭守敬的科学活动史上又
揭开了新的一章,使他在天文学领域里有机会发挥出高度的智慧和才能。
治历一开始,郭守敬首先指出:“历之本在于测验,而测验之器莫先仪
表”。就是说治历的根本在于实际观测,观测要有工具,就得先准备适用的
仪表。这同许衡的见解是一致的。郭守敬首先与许衡到大都南城外金朝时期
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的司天台,检查那里的仪器设备。其中浑仪还是北宋时代的东西,是当年金
兵攻入北宋的京城汴京 (今河南开封)以后,从那里搬运燕京来的。这台浑
仪当年远道颠沛,在转运途中免不了有些损伤,加上长期放置,更是环圈锈
结,转动不灵。而且,这座浑仪原是在开封使用的,仪器的北极出地高度是
当时所测得的地理纬度35度。大都的地理纬度比开封高得多。金朝将这座仪
器运到中都后,并没有把仪器指向天球南北极方向的轴的位置很好加以调
整。如果仍使用这座旧浑仪,测得的数据自然不会准确。郭守敬通过夜晚的
观测来检验这座浑仪,查得其南北极轴的方向,与天球北极差了大约四度。
按地理位置,中都与开封的北极出地高度,相差应有五度多,可见仪器已经
走了样。郭守敬就把它加以改造,暂时使用。台上的圭表也由于年久失修,
变得倾侧歪斜,不成样子。使用这样的仪器,怎样测得制历所需的大量天文
数据呢?郭守敬对这些旧仪器一件件做了仔细的检查,并加以必要的校正和
修复。经过一番修整之后,必需的测量工作,总算可以进行了。但是,在实
际观测中,郭守敬感到这些陈旧的仪器操作起来很不方便,存在着好些不足
之处,测量的精度又很不准,不能满足他的严格要求。他对浑仪原是颇有研
究的,年少时还亲自做过一架竹篾扎的浑天仪。在对旧仪器的缺点作了深入
的分析之后,他下决心按照自己的理想重新设计和制造新的天文仪器。以适
应实际观测的需要。那时郭守敬已经46岁了,职位也相当高了,可是他依旧
象以前那样,积极从事实际具体工作。在许衡的赞助下,他殚精竭虑设计出
一件又一件新仪器,太史局又招进了一批技术优秀的工匠,以便进行冶铸和
制作。
自古以来,人们就注意到冬至那天,太阳在南天的位置最低,正午时投
射在地面上的�