夏至已至
2019/6/20 19:58:24成灼 中国科学院紫金山天文台
根据我国唯一的历书编算机构——中国科学院紫金山天文台的计算，北京时间6月21日23时54分，我国将迎来农历二十四节气中的“夏至”。
何谓夏至
“日北至，日长之至，日影短至，故曰夏至”。早在商周时期，中国古人已通过土圭测影发现春夏秋冬四季变化与太阳正午时的日影长短变化之间的关系，并由此最早确定了二十四节气中的春分、夏至、秋分和冬至。
太阳在夏至日的周日视运动示意图| 图源：作者
从太阳周年运动和周日运动可以知道，地球的自转轴倾角(即黄赤交角~23°26′)是造成一年四季变化的主要原因。当太阳运行到赤道最北处，直射北回归线时，北半球白昼最长，正午的太阳最高，垂直物体的影子最短，这天就被叫做夏至。
过了这天，太阳就会转身南下，因此北回归线穿过的地区又被称为“太阳转身的地方”，如我国的汕头、从化、桂平、墨江、蒙自等地。夏至正午，这些地区还会出现“立竿无影”的有趣现象，因为太阳光是从天顶直射下来。夏至傍晚，北半球的居民也将目睹一年中持续时间最长的暮色黄昏。
夏至日太阳直射北回归线 | 图源：紫金山天文台
计算方法
二十四节气到西汉时期已经完备，其名称顺序和现在完全一致。作为我国传统历法的独创和重要组成部分，二十四节气直接决定了历法中月份的名称和顺序以及闰月的设置，而且因其反映了季节变化、农时物候，在指导和安排农业生产生活方面起着重要作用，在我国可以说是家喻户晓，并为海外华人广泛使用。2016年11月30日，二十四节气成为中国第39个世界级非物质文化遗产。
从西汉太初时期颁布的《太初历》开始，二十四节气首次被正式订入历法，自此两千多年来，中国传统历法对二十四节气的计算从未间断过。新中国成立以后，紫金山天文台每年承担编算的专业天文历书和民用日历资料中也都载有二十四节气。
《太初历》中对节气的计算遵循平气的方法，即假设太阳在黄道上的周年视运动是均匀的，将周年视运动的周期即一个回归年长平均分为二十四等份，每个等分点为一个节气。根据冬至时间起始点和回归年长就可以推算得到此后任意节气的时间，而回归年的测定可以通过积累多年的冬至日期观测资料得到比较准确的数据。
但实际上太阳的运动是不均匀的，冬至前后运动快，夏至前后运动慢，平气显然有违中国历法讲求的密合天行的原则。因此，按太阳位置来等分的定气方法自然而然就取代了平气。具体是，将太阳运行的轨道即黄道划分为二十四个等分点，太阳在黄道上移动时经过各等分点的时间就是一个节气。黄道上的度量坐标叫做黄经，因此每个节气的位置都有对应的黄经度数，比如夏至时太阳的地心视黄经等于90度。
于是，节气时间的计算转换为两部分：建立太阳位置随时间变化的计算模型，和根据太阳位置函数反求时间引数的数值方法。其中太阳位置计算模型涉及基本天文学的重要研究工作，包括太阳系基本历表的研制，时间系统的定义和转换，参考系的定义和转换，天文常数系统的建立等。可以说，节气的计算模型和精度能够反映基本天文学的发展成就。
目前，紫金山天文台建立的节气计算模型遵循国际天文学联合会、地球自转和参考系服务关于基本天文学的决议和规范。
《2019年中国天文年历》封面(左)；夏至正午时紫金山天文台明代圭表和日影(右) | 图源：紫金山天文台 / 陈向阳
国家标准
节气的计算关乎太阳的位置计算模型，那么模型精度的差异就会影响节气的计算结果。比如公开发行的2013年日历中的冬至日期有不同的版本，给使用带来了混乱。因此，在国家标准委和中国科学院的大力支持下，紫金山天文台承担起草的国家标准《农历的编算和颁行》于2017年发布和实施。
其中明确规定了农历包括二十四节气的计算模型和精度：太阳的位置按国际地球自转和参考系服务规范规定的模型计算，节气计算精度应达到1秒。该标准的首次制定，为包括节气在内的农历编算提供了科学的规范依据，对确保公开发行的农历日历的准确性，有效维护国家历法应有的严肃性和统一性有重要意义。
答疑解惑
〇 夏至日出最早，日落最晚吗？
由于历算工作最接近百姓生活，因此日常会接到不少群众来信提问，有关夏至的常见问题有：夏至白天最长，但为什么这天的日出不是最早，日落也不是最晚呢？以今年北京的日出、日没时间为例，日出最早在6月12至18日，为4时45分，日落最晚在6月22日至7月初，19时47分，确实夏至的出没时间既不是最早也不是最晚。其中缘故其实与我们采用的时间系统有关。
日出而作，日落而息。人类选择根据太阳的周日运动来安排生活生产。以真实的太阳运动为依据确定的时间叫做真太阳时。在真太阳时系统中，夏至这天必定是日出最早且日落最晚，但由于真太阳时的不均匀性，我们日常所用是以假想的太阳平均运动为依据得到的平太阳时。
2019年太阳赤纬-时差变化图(左)/ 太阳全年轨迹图：一年里每隔一周在固定地点、固定时间、以固定角度拍摄太阳后合成(右) | 图源：紫金山天文台 / National Geographic
真太阳时与平太阳时的差值叫做时差，一年中时差的变化如图所示，可以看到6月份的时差值逐渐减小。不难得到，夏至与它之前日期的平太阳时的日出时间比较，因为减去了更小的时差，结果变大了，所以不是日出最早；而相反的，夏至与它之后日期的平太阳时的日没时间比较，因为减去了更大的时差，结果变小了，所以不是日没最晚。
当然，这是对地球上绝大部分地区而言。我们知道越往北白昼越长，而等你进入北极圈(北极点23°26′范围内)后会出现日不落，夏至日是唯一一天全域都日不落的，没有日落就没有所谓早晚了。
〇 每年夏至都在6月21日吗？
首先，从前面的定义可知，夏至这个时间点是北半球共同的，不管你在哪个国家和地区，今年的夏至就发生在世界时(UTC)6月21日15:54。在中国，就是北京时间6月21日23:54。
虽然大多数年份的夏至都在6月21日，但也有可能在6月22日或6月20日。拿今年来说，如果再晚6分钟，就是北京时间6月22日了。中国上一个6月22日的夏至是2015年(北京时间00:37)，而下一个6月20日的夏至是2048年(北京时间23:53)，而且到本世纪末中国不会再有6月22日的夏至了。大家知道为什么民间流行的不同版本日历上的节气有时会差一天了吧!
〇 夏至太阳离我们最近吗？
恰恰相反。事实是，夏至之后两周左右，地球运行到远日点。所以，夏至附近其实是一年中太阳离我们几乎最远的时段。前面已经提到，造成四季更替的原因主要是地球自转轴的倾角，而非太阳离我们的远近。
最后，“冬至饺子夏至面”。夏至，别忘了吃面。
作者简介
成灼：中国科学院紫金山天文台“历算和天文参考系研究团组”副研究员。研究方向：历书编算。负责《中国天文年历》、《航海天文历》和民用日历等的编算。
撰文：成灼
绘图：王科超
编辑：王科超、高娜
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