《行海要术》中的航行方法初探_汪祥胜.pdf

第2 3卷第2期2 0 2 3年6月 江苏科技大学学报(社会科学版)J o u r n a l o f J i a n g s uU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y(S o c i a lS c i e n c eE d i t i o n)V o l.2 3 N o.2J u n.2 0 2 3 行海要术 中的航行方法初探汪祥胜,秦 刚(江苏科技大学 马克思主义学院,江苏 镇江2 1 2 0 0 3)摘 要:行海要术 是江南制造局翻译馆于1 8 9 0年刊行的西方航海学著作,其中介绍了平面行法、距等行法、纡道行法、中纬行法和墨噶祷行法五种航行方法,这五种方法着重阐述了航迹计算的原理、过程以及适用范围。行海要术 中的航行方法既具有形式科学的抽象性,又具有应用科学的实证性:前者体现在依靠数学模型计算,后者体现在通过纪程仪、罗盘的使用获得航行数据,藉此对航迹进行推算。行海要术 中平面行法、距等行法、纡道行法、中纬行法和墨噶祷行法后来发展成为航海学中的平面航法、折航法、中分纬度航法和墨卡托航法。航行方法的两种特性则促进了我国航海知识从“研究领域形态”到“学科形态”的转变。关键词:行海要术;航行方法;航海学中图分类号:K 2 5 1 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 3-0 4 5 3(2 0 2 3)0 2-0 0 0 8-0 0 0 8收稿日期:2 0 2 2 0 4 0 3基金项目:江苏省研究生科研创新计划课题“科技成果传播与国家认同研究”(KY C X 2 1_3 4 1 8)作者简介:汪祥胜(1 9 7 9),男,安徽太湖人,江苏科技大学副教授,博士,主要从事公法原理、科技与社会研究;秦刚(1 9 9 5),男,河南郑州人,江苏科技大学硕士研究生,主要从事科技与社会研究。中国古代航海有着悠久历史,且曾长期处于世界领先地位。但随着航海大发现以及资本主义原始积累的扩张,欧洲的航海技术发展迅速,而此时我国还未形成系统的航海知识体系。第一次鸦片战争后,大批传教士来华传教,他们在传教的同时也将西方的科学技术传入中国,其中不乏航海科学与技术。晚清兴起的洋务运动主张发展海运、巩固海防、建立新式海军等。为此,洋务派开始系统引进和学习西方的科学技术。正是在这样的背景下,江南制造局翻译馆成为翻译和传播西方科学技术的重要机构。这一时期,江南制造局翻译了一批西方航海学著作,如 行海要术 航海简法 御风要术 测候丛谈 航海章程 行船免撞章程 等。通过这些译著,近代中国首次接触到近现代意义上的航海学。其中,原著为亚历山大托姆(A l e x a n d e rT h o m)的P r a c t i c a lN a v i g a t i o n,即由金楷理口译、李凤苞笔述、收录于 增版东西学书录 的 行海要术,是一部系统介绍航行方法的航海学著作。行海要术 准确、详细地对原书内容进行了还原,介绍了航海时测距、定时、使用海图、定经纬度等具体方法。就现有研究而言,张瑞嵘、陈婷、朱涛指出 行海要术 包含了当时西方国家最先进的航海技术,同时对海洋气象、地理等方面的知识也多有涉及1,书中内容实用性强,适应了随洋务运动兴起的造船业及航行业的需要2,是“航海者必读之书”3;魏甜子对 行海要术 的主要内容与成书背景进行了简要介绍4;赵莉、曹世霞、沈渭滨认为 行海要术 作为一部从英国引进的综合性航海实用著作,与现代航海技术密切相关,书中设计了西方航 海 学 中 的 测 量、天 文 定 位、计 算 航 程 等 知识5,为海军的军事训练提供了凭借和参考6,对清军近代化建设起到了借鉴作用7。总体来说,对 行海要术 的研究,大多是简单的内容介绍或在其他译著中有所提及,很少从科技史视角对其中的原理进行具体的实证分析和研究。基于此,笔者以科技史为视角,对 行海要术 中的航行方法进行全面分析,探究其中包含的航海学理论与技术,并对其特性进行分析,探讨其对中国近现代航海学发展的贡献和影响,以求教于学界。一、行海要术 中航行方法的种类 行海要术 是一部以测量方法和航海定位计DOI:10.16148/32-1743/c.2023.02.009算为主要内容的航海技术指南,航行方法是书中的重要内容。所谓航行方法,主要指船舶在海洋中航行时的航迹推算,而航迹推算是指根据推算起始点的经纬度、航向和航程,以求取船迹和船位的方法。这是船舶航行中必不可少的工作。正因为如此,行海要术 中主要介绍了平面行法、纡道行法、距等行法、中纬行法和墨噶祷行法五种航行方法。(一)平面行法从 行海要术 中关于平面行法的论述来看,“平面行法者以地球面为平面,经纬线皆为平行直线。虽与球面不合,然于近赤道处及所行不远处用之,所差甚微”82 2。平面行法就是把曲面的地球看成平面,把经纬线看成平行直线并以此进行航迹计算。“凡纬较偏较行向距数任知其二端即可求其余二端。”82 2在实际计算中,以“知行向距及距数,求纬较偏较”82 2为例,“设船自北纬四十八度半向东北偏北行三百里,试画图量之”82 2。行海要术 给出了航迹推算的方法,即“作横线为原处纬度,以六十度弦为半径做两象限及通弦,左象限平分为九,右象限平分为八,查行向是正北向东第三向,乃自甲点出直线过圆旁第三向引长三百里至乙,自乙作横线与甲垂线过于丙,成勾股形。以比例尺度甲丙二百四十九为纬较,度乙丙一百六十七为偏较。试检表取之,查第一表上方第三向,自上而下至三百之距数,有相对偏较一百六十七里七”82 2。如图1所示。按照现代航海学解释,平面行法就是把地球面看作平面的航法。在实际航行中,航程、航向、纬差、东西距间的数学关系可通过三角函数来解算。如图2所示。即:纬差=航程c o s(航向),东西距=航程s i n(航向)。从上述方程式可以看出,只要知道其中两项数据,其他数据都可由计算得出。将“知行向及距数,求纬较偏较”转化为平面几何的表述为:已知斜边长度和角度,求直角边长度,也就是求东西距。根据东西距=航程s i n(航向)这一方程,即可得出结果。同样,“知行向及纬较数求距数偏较”“知距数及偏较求行向纬较”等都能利用上述三角函数进行求解。图1 行海要术 中的平面行法示意图2 平面航法示意从 行海要术 中对平面行法的记载和应用来看,平面行法在计算航迹时是将航行所经路线考虑为平面,这种方法原理简单、计算简便。但在实际航海活动中,平面行法多应用于经纬线畸变程度较小的赤道附近和短途航行。如果在航行距离较远时,按照这种算法,航迹会出现较大偏差。对于远距离航行而言,平面行法有很大的局限性。因此计算中应该考虑球面曲率,缩小航迹偏差,但这对航行方法提出了更高要求,而距等行法很好满足了这一要求。(二)距等行法平面行法虽计算简单,但准确性差。船要远距离航行,就需要准确的航迹,考虑到地球的球面问题,应采用距等行法。“平面行法者,强以地为平面,而实则各经圈愈远赤道则相离愈近,各纬圈9第2期 汪祥胜等:行海要术 中的航行方法初探文中图1、4、5、6、7、8、9、1 0、1 1均来源于金楷理、李凤苞 行海要术 第2 1、4 3、4 6、4 7、3 6、3 7、6 6、1 5、1 9页,上海江南制造局,1 8 7 1年版。愈远赤道则圈形愈小,故纬度愈增经度愈窄。”84 1从 行海要术 记载来看,距等行法将航行的海面看作球面,且指出经线的线距和纬线的周长会随纬度的增加而变化,“所以行船距等圈时,或知经较求偏较,或知偏较求经较,则有距等行法”84 1。具体计算方法为:“以纬度作为行向,经较做距数,距数做纬较。按平面行法作图,若检表则距数行内查经较,纬较行内查距数。”84 2如图3。在实际航行中,如“自北纬三十二度九分,西经六十九度五十分,欲到同纬度之某岛在西经六十四度五十分,求距数”84 2。按照上述计算方法,“按法作象限,作甲角三十二度九分,自甲循斜弦度经较三百里至戊,作横线过于丁,度甲丁为距数(二百五十四里)。试检表,借用三十二度,作行向,查第二表以经较查距数行内,得相对之纬较二百五十四即为所求之距数”84 2。如图4所示。从上述计算过程可以看出,不同纬度上航行距离对应的经度是不一样的,所以在东西方向的航行中会涉及到东西距(纬线方向上的距离)和经差换算的方法,这是简单的球面行法。所谓距等行法,就是假设地球为圆球体,船舶沿某一纬度圈航行直至目的地的航行方法。当时在海上还不能准确测定经度,因而对船舶航向有具体限制,要求船舶需要航行至与目的地同纬度的航线上,即正东或正西航行。在现代航海学中,正东或正西航向的东西距与经差的换算通常需要用正割来计算,即经差=东西距s e c(纬度)。得到经差后,沿某一纬度圈航行的距离就可以根据距等行法计算,即东西距=经差c o s(纬度)。根据这两个方程式可知,经差和东西距可以进行换算,这一方法可以减少船舶在高纬度地区航行时由于经纬线不均匀变化所带来的一些计算误差。图3 距等行法示意图4 实例计算示意距等行法相较于平面行法,在航迹计算上有了很大的进步和完善,但其需要船舶向正东或正西方向航行,才能使航迹更加准确。但在实际航海活动中,这样航行既增加了航程,也增加了时间。因此在不考虑航向的情况下,如何使船舶航行距离更近、耗时更短成为迫切需要解决的难题,而中纬行法较好解决了这一问题。(三)中纬行法在航海活动中,斜行是更省时、距离最短的航迹,而对这种航迹的计算通常采用中纬行法。如图5所示。“中纬行法者,合平面距等为一法也。凡船不循正南北正东西而斜行海面者,其原处与到处纬度不同,则经度之宽狭亦异。既不能凭原处纬度算其偏较,又不能凭到处纬度算其偏较经较。故取两处适中之纬以算之,谓之中纬。”84 5以“知原处经纬度及行向距数求到处经纬”为例,“设自北纬五十二度六分,西经三十五度六分向西南西行二百五十六里”84 7。其经差计算如下:“作甲下垂线量取五向作丙甲乙角,自甲度距数至乙,作乙丙横线,度得乙丙偏较二百十三,甲丙南纬较一百四十二。化度与原处北纬相减得到处北纬四十九度四十四分,两纬相加折半得中纬五十度五十五分,以作图内丙乙丁角令乙丁线过于丁,度乙丁即经较三百三十八,化度加于原处西经得到处西经四十度四十四分。试检第一表五向下距数二五六、相对之纬较一四二、相对之偏较二一二点九,如上法取中纬五十度五十五分借作行内查第二表纬较行内半偏较一六点四、之相对距数行内得半径较一六九,倍之得所求西经较三百三十八分。”84 74 8如图6所示。中纬行法的重点在01江苏科技大学学报(社会科学版)2 0 2 3年于如何计算船舶在斜向航行时经差和东西距的换算,用三角函数可表述为:经差=东西距s e c(中分纬度)。所谓中分纬度,即当两地(纬度同名,都为北纬度或南纬度)的经度线在某纬度圈上所截弧长等于该两地的东西距时,此纬度称为中分纬度。但如果船在低纬度航行且航程不太长时,中分纬度与起航点和到达点的平均纬度相差不大。如果要求得到准确数值,则要按航海表中的中分纬度修正量表加以修正。图5 中纬行法示意图6 实例计算示意中纬行法不但解决了平面行法准确性差的问题,也解决了船舶斜行经差的计算难题,进一步丰富和完善了航迹的计算方法。但海洋环境复杂,船舶经过的地区并非都是风平浪静,其中风向、洋流等因素也影响了航迹计算结果,纡道行法较为合理地考虑了这些因素,使航迹计算方法更加科学、多元。(四)纡道行法船舶在海洋中航行时,若经过渔区、岛礁区等复杂水域,同时加之风向和洋流等因素影响,就需要频繁转向或变速,这使得航迹绘算更加困难。而纡道行法是船舶在航行过程中遇到逆风或需要进行躲避情况下绕道而行的航迹计算方法。“凡船遇风水不顺,不能径直行驶,必纡道而行。仍用平面行法合数行向为总行向,合数距为总距,是为纡道行法。”83 4从该方法的论述中可以看出,它以平面行法为基础,利用了平面行法的计算原理,如书中举例所示航迹(图7)。对于该航迹的计算,“以六十度弦为半径,甲岛为圆心,作大圈及纵横线。自北点以西六向,作虚线过圆心,自圆心度十里至甲,为船只原处。次向东北度三