2012年1月11日星期三

早來的新春 --- 農曆日子是怎樣編訂、閏月又是怎樣安排? (上篇)


2012 壬辰龍年的年初一為 1 月 23 日,與元旦相隔只有 22 天,慶祝完聖誕新年就要趕著準備新春了。對上一次農曆新年出現在新曆一月是於 2009 年 1 月 26 日 (當天還有日食呢),而比今年更早的就要數到 2004 年 1 月 22 日。一般來說,農曆新年的日期可落於立春 (約 2 月 4 日) 前後約半個月,即 1 月 21 至 2 月 20 日。如果冬至跟新月出現的時間距離較近的話,年初一的日期就會傾向這個範圍的兩端;而如冬至與新月距離較遠,年初一就會較為接近立春。要理解農曆節日於公曆日期的變化和規律,最好的方法莫過於了解農曆月日的制定。由於篇幅較長,此文分上下篇,下篇於一周後發布。

1. 為何要置閏?

農曆其實是陰陽合曆,既有跟隨月相的規律,同時也有地球圍繞太陽公轉,即年的概念。可是地球圍繞太陽公轉一圈需時 365.24 日,而一個朔望月 (即月相一周期) 為 29.531 日,12 個月即 354.37 日,與地球公轉時間相差近 11 日。如農曆每年都是 12 個月的話,日子久了季節便會跟月份脫軌,如春節出現在炎夏等荒謬情況將發生。要彌補這差距,農曆曆法每數年會加插一閏月,使月份大致跟季節同步,而農曆日子亦能緊隨月相。這就是為甚麼農曆新年如果出現在公曆一月下旬,翌年的農曆新年幾乎必定會延至二月;這是因為該年將很大機會有閏月。

2. 節氣的分類

相信大家都知道節氣是甚麼了。古代中國使用農曆,但因為農曆主要是跟月球圍繞地球公轉而編訂月份,它未必能準確描述跟隨公曆的季節變化。節氣的時間純粹跟隨太陽於黃道的位置 (亦可想像為地球於圍繞太陽公轉軌道的位置),因此每年的某一節氣必定在新曆差不多相同時間開始,農民能使用節氣來判定一年的耕作時間。24 個節氣詳列如下:


節氣可分為「節」(或稱節氣) 和「氣」(或稱中氣),公曆月份較早的那個節氣為節,較後的那個為氣。上圖中,橙色底的是中氣,而藍色底的是節氣。了解它們的分類能更容易理解下面有關農曆月份編排的原理。

3. 編排月份的方法

坊間有很多關於編排農曆月份的規則,但有些實在是由其他規則衍生出來的必然後果。首先注意下列幾點:
  1. 所有時間為東八區,原因應該很清楚吧...
  2. 可以假設所有觀測於中國中原地區量度,即無須理會南半球季節顛倒的情況。
  3. 事件發生時間只需準確至某一日,無須取至時分秒。
釐定月份,先由簡單可測度的事件開始 (下面以 2010-2011 年作例子):

步驟一:找出連續兩年冬至的時間。古人理解到雖然農曆日子主要跟隨月球盈虧而編排,但由於季節變更與生活息息相關,年的概念也是重要,於是就用一個跟隨繞太陽公轉位置的定點。對他們來說,冬至是一個理想的選擇,這是由於冬至的時間有規律性和容易測度,而冬至也是一年結束耕種、回家團聚、休養生息的時間,這也就是「冬大過年」的來源。編排月份的第一步是要找出冬至的時間,作為「年」的基礎。以 2010-2011 年為例,兩年的冬至均於公曆 12 月 22 日。


步驟二:找出於兩個冬至間所有初一即新月的時間。由於事件發生時間無須取至時分秒,新月發生那一刻所在那天就是初一。就 2010-2011 年,新月於下列時間發生:


剛才提到朔望月為 29.53 日,所以每個初一必定相隔 29 或 30 日,但並不是梅花間竹地出現。某些時候可能連續兩個月有農曆三十,有時則只得一個。


步驟三:數一數兩個冬至間有多少個新月。如翌年冬至同時為初一,那個初一亦會被計算在內,但如首個冬至同時為初一,該初一將不作計算。如兩個冬至間有 12 個新月 (即 11 個完整農曆月),那該年不需要置閏;包含首個冬至的那個月會被定為農曆十一月,隨後為十二、正、二、三等等順序編排。冬至於農曆十一月出現主要是因為包含冬至的那個月古時定為子月,而寅月則是正月。由於子和寅在十二地支中分別排第一及第三位,那子月就必定是十一月了。2010-2011 年冬至間有 12 個新月,因而農曆月份可按上述情況安排:



步驟四:如果兩個冬至間有 13 個新月的話,我們須加插閏月,以維持月份和季節的平衡。這情況於 2011-2012 間出現,如下表:


但應該定那個月為閏月呢?這時我們需要找出該兩個冬至間所有中氣的日期 (先前我們提到中氣是公曆每月中較後的那個節氣)。這些日期於下表顯示:


由於兩個冬至期間只有 11 個中氣,必然會有最少一次兩新月間沒有中氣的情況出現。我們把這情況首次出現的那個月定為閏 X 月,其中 X 為先前一個月的號碼 [註一]。上表可見公曆 2012 年 5 月 21 日至 6 月 19 日並沒有中氣,因此該月為閏月;又因為先前的月為農曆四月,所以該月就是閏四月了:


這就是一般釐定農曆月份和置閏的辦法。縱然如此,某些年份還是會出現一些特殊情況,稍一不慎便會「閏錯月」,導致重要節日時間錯誤。我們將在下篇探討這些情況和一些有趣現象。


註一:絕大多數情況下只會有一個農曆月份沒有中氣,但部分年份會有兩個。此文下篇將有一例子。

2012年1月1日星期日

新的一年


2012 年已經到來,祝各位新年快樂!一如以往,本網舉辦的「2011 年天文、地理及氣象大事選舉」正接受投票,網址為 http://david.sam-siu.com/weather/vote/2011/vote.php。此外,本年將出現兩件難得一見的天文現象,分別為 5 月 21 日的日環食和 6 月 6 日的金星凌日,兩者均是本世紀最後一次能於香港見到,本站屆時將製作專頁介紹。

2011年8月25日星期四

夏天之終結?


我們於8月23日進入處暑節氣,天文學來說,此日期為太陽到達黃經150度的時刻。處即終止,處暑節氣亦即暑氣停止,夏天完結的意思。當然,身處香港的我們絕對不會感到氣溫有所回落,但其實冷空氣的活動已於北方漸趨活躍,對於節氣的起源地,「夏季終止」亦是合理的描述。


上圖為1971-2000年北京7月上旬至10月下旬之溫度平均值。中國定義秋天為候平均氣溫 (即5天平均氣溫) 10至22度的時間。雖然上圖為旬平均氣溫,但我們亦大約看到北京平均氣溫於9月上旬跌至約22度,其後跌勢加劇,即北京平均於9月上旬便入秋了。以下是對於廣州的相同圖表,只是日期範圍為7月上旬至12月下旬;根據相同標準,廣州到11月初才入秋呢!



造成此明顯分別的原因主要是太陽直射點南移。太陽於夏至(6月下旬)直射北回歸線,此後逐步加速南移,到處暑時直射點已到達北緯11至12度附近,而再過一個月就到達赤道。處暑前後廣州一帶太陽於午間的仰角約為78度,但對於北京來說則只有62度。亦即是說,北京所接收的熱量已明顯降低。加上日照時間縮短於北方地區更為明顯,該地所接收的熱量減少速度比南方的快。

雖然香港仍有一段時間才入秋,但每年秋季「頭炮」,即首次非熱帶氣旋所造成的北風則很準時於8月底到達。由天文台7天天氣預報 (http://www.info.gov.hk/gia/wr/201108/25/P201108250009.htm) 可見,香港將受低壓槽影響,槽通過後大陸氣流將到達,香港轉吹北風。昨晚8時的天氣圖亦見到一微弱高壓集結於湖南中部:


雖然此北風風力微弱,甚至會將內陸的熱空氣吹來使本港更熱,但往往象徵著夏季南風不再如盛夏般長期支配華南,而踏入9月香港吹東或東北風的日子將增加,且日夜溫差會開始擴大。另外,北方降溫,副熱帶高壓脊開始南移,其南沿再次到達華南沿海一帶緯度,所以香港於9月平均來說會受較多熱帶氣旋侵襲。要真正感受到氣溫下降,還需要等到9月尾至10月初。

2011年8月4日星期四

眼牆置換週期


由於近期事忙,已多月未有更新網誌了,而今次的題目是由近日颱風梅花想起的。多數成熟持久的颱風在其一生中都會進行眼牆置換週期 (Eyewall replacement cycle),就如近日在西北太平洋上游走的颱風梅花。各位可先看下面每六小時的衛星圖片:



圖中梅花正進行一次眼牆置換。雖然成因仍未完全確定,但要從衛星雲圖和雷達圖去偵測眼牆置換是相對容易的。眼牆置換最明顯的表徵是內外同心眼牆的形成。就上述梅花的例子來說,在8月3日06:30 UTC的圖中可見到內眼牆和外眼牆中有虛位,亦即所謂雙重眼壁,這就確認眼牆置換正在發生了。當外眼牆形成,它將開始奪取螺旋雲帶中所帶進的能量。這將令內眼牆得不到能量來維持其高速轉動,繼而內眼牆會逐漸崩潰。內眼牆崩潰將使氣旋強度稍為減弱,這是由於外眼牆的直徑較大,根據角動量守恆原理風速會比原先存在的內眼牆低。

如果周邊環境容許,當外眼牆成為唯一眼牆後風暴會再度增強,甚至增強至超過眼牆置換前的強度。一般來說,外眼牆將逐漸收窄,風速亦會上升,至此一次眼牆置換過程完結。

一個生存期比較長的颱風可以經歷多於一次眼牆置換週期,所以雙重眼壁並不是十分罕見的現象,就如梅花分別於8月1及3日進行兩次眼牆置換。2003年襲港的颱風杜鵑是一個比較明顯見到此現象的颱風。由於杜鵑進入天文台雷達範圍,我們可以利用雷達回波影像更清楚地看到雙重眼壁結構。在更為極端的情況下,三重眼壁也是有可能的,但就比較罕見。欲閱讀更多有關眼牆置換週期的資料,可參考下列網頁:

1) http://www.hko.gov.hk/informtc/double_eyec.htm
2) http://en.wikipedia.org/wiki/Hurricane_Juliette_%282001%29 此颶風曾擁有三重眼壁結構,於衛星雲圖上可清楚見到
3) http://en.wikipedia.org/wiki/Eyewall_replacement_cycle

2011年3月24日星期四

網誌新成員


由即日起,港澳氣旋監測站加入成為本網誌的一員。港澳氣旋監測站網主Jonathan將在這裡撰文,與各位分享氣象地理事件和趣聞。希望此安排能為各位帶來更豐富的資訊!

2011年3月20日星期日

地動山搖


3月11日星期五日本經歷有現代地震監測方法以來最猛烈的一次地震,強度達9級,日本東部部分地區震感達日本震級表中最高的第七級,就連距離震央超過350公里的首都東京市亦感受到強烈震動,部分房屋損毀。日本處於活躍地震帶,其氣象廳一向非常重視地震和隨之而來的海嘯,警報系統和國民地震意識亦是世界上數一數二的。減低傷亡的因素除了是國民抗震意識強外,氣象廳的地震預警系統也功不可沒。具威脅性的地震來臨前,氣象廳於各媒體發出提示,讓市民有時間逃至較為安全的地方。


為甚麼氣象廳可以提早「預測」地震呢?這要從地震波的形式說起。一般來說,地震所釋放出來的能量在地球內部以P波和S波傳遞開去。P波 (primary wave) 是地震波中最快的一種,它的傳遞速度約為每秒5至10公里。P波屬於縱波,即是說它是由物體間擠壓 (compression) 和離散 (rarefaction) 傳播,介面擺動方向與波移動方向平行。至於S波 (secondary wave) 傳播速度則約為P波的一半。S波本身是橫波,以介面作與波傳播方向垂直的移動而散播。地震儀能紀錄到P和S波,但P波一般較弱,民眾普遍不會察覺。氣象廳就是利用P波與S波傳送速度差異來預先提醒市民地震 (實則上為「感覺到的地震波」,詳見註一),從而作出準備。雖然警報發出與地震來臨之間時間通常不會多於半分鐘,但這已足夠令人們轉移往較安全的位置 (例如躱到桌面下) 而減低傷亡機會。

利用P波與S波的時間差亦可以大致確定地震位置。首先,從某地P波與S波來臨的時間可以得出地震距離該地多遠。得到三個地方的數據,然後在每地作圓,半徑為估算地震距離,三圓相遇的點便是地震位置。當然,波在不同物質上有不同速度,而地震震源亦於地面以下,所以這是一個較為粗略的估計;監測站點數目越多,估計便越準確。

最後,希望日本民眾能從地震中恢復過來,重過正常的生活。

欲瀏覽更多關於日本地震預警系統,請參考這頁的介紹: http://www.jma.go.jp/jma/en/Activities/eew.html

註一:除上述所講的P和S波外,有另外兩種表面波 (即不能經過地球內部傳播) -- L波 (Love wave)和R波 (Rayleigh wave),它們振幅比P及S波大,人們感受到的震動和所造成的破壞大多由此兩種波而來。它們傳播速度比S波稍慢,約每秒三公里。

2011年2月4日星期五

北極震盪與上月的寒潮


今天是大年初二,首先祝各位兔年身體健康,「兔」氣揚眉。經過上週末的東北季候風補充後,本週溫度逐漸回升,天文台總部的高溫更是個多月來首次達到20度 (對上一次是去年的12月30日)。或許大家從傳媒得知,1月份的低溫某程度上和北極震盪有關,究竟那是甚麼一回事呢?

其實,北極震盪 (或北極濤動) 大致描繪北半球中高緯度的氣壓變化,尤其是高緯度的氣壓距平與中緯度的氣壓距平之間的差異。當北極震盪處於正位相時,北極的氣壓相對較低,而中緯度的氣壓則相對較高,這使西風帶裡氣流的緯向 (東-西向,或沿某一緯度的) 移動速度加快。這樣,從北極來的冷空氣較難伸展至中低緯地區。相反地,如果北極震盪處於負位相,那北極的氣壓相對較高,中緯度的高氣壓較弱,西風帶氣流速度變得較慢,有利極區的冷空氣輸送到較南的地方。以下的單張以圖片形式描述這些情況:http://jisao.washington.edu/wallace/natgeo/ArcticSubart.pdf

北極震盪在過去兩個月來持續處於負位相,即較冷的空氣容易南下,這與上月華南地區的持續寒冷天氣相符。就香港來說,2011年1月陰天的日子不算多,雨量亦大幅少於正常,但每日低溫則徘徊在寒冷 (12度) 邊緣,這是由於北方的強烈東北季候風補充非常頻密 (幾乎每三四天就有一次),雖然日間天色明朗,氣溫也往往未能逗留在較高水平。這正正是典型冬季北極震盪負位相時的情況。

上圖:2010至11年北極震盪指數時間序列圖 (來源:http://www.cpc.ncep.noaa.gov/products/precip/CWlink/daily_ao_index/ao.shtml)

雖然如此,北極震盪並不是決定冬天冷暖的唯一指標。一個很好的例子是2008年影響全中國的寒潮。當時的北極震盪處於正位相,但寒冷天氣仍持續非常長的時間。當年的寒潮成因與去月的有所不同:2008年初中國大部分地區以陰天天氣為主,這是由於當年副熱帶高壓脊偏強,令南亞的濕潤氣流得以源源不絕的向北擴展。當濕暖氣團遇上南下的冷空氣時,暖氣由於密度較低被抬升並形成雲。太陽不能直接照射大地,天氣要回暖也很難了。2008年寒潮時阻塞高壓持續盤據歐亞地區,大氣環流移動受阻,時冷時暖的冬季典型型態較難出現,也令低溫環境持續甚久。

根據天文台的新聞發佈,各國模式大致預料本月氣溫比正常高 (連結),上月持續偏冷的日子有望不會於本月重演。

延伸閱讀: