緯度

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World map longlat.svg
地球地圖
經度 (λ)
經度線投射在圖上看似彎曲和垂直的線,但實際上是大圓的一半。
緯度 (φ)
緯度線投射在圖上看似水平的平行線,但實際上是不同半徑的圓。有相同特定緯度的所有位置都在同一個緯線上。
赤道的緯度為0°,將行星平分為南半球北半球。. World map with equator.svg

緯度(φ)是一個地理坐標,用以確定一點在地球表面上的南北位置。緯度是一個角度,其範圍從赤道的0度到南北極的90度。緯度相同的連線或其平行線,是一個與赤道平行的大圓。緯度通常與經度一起使用以確定地表上某點的精確位置。在定義經緯度的時候,做了兩個抽象假設。第一,以大地水準面來代替地球的物理表面,大地水準面是一個假想的由地球上靜止平衡的海平面延伸到陸地內部而形成的閉合曲面。第二,用一個數學上簡單的參考表面來作為大地水準面的近似。最簡單的參考表面為球面,但是用旋轉橢球面來模擬大地水準面要更為準確些。經緯度在這個參考表面上的定義將在下文中詳細說明,經度相同和緯度相同的點的連線共同構成了這個參考表面上的經緯網。地球真實表面上一點的緯度和其在參考表面上的對應點一致,過地球真實表面上一點作參考表面的法線,該法線與參考表面的交點即為真實表面上那一點的對應點。緯度,經度和遵循某種規範的高度共同組成了 ISO 19111 標準中所定義的地理坐標系統。

由於有不同的參考橢球面,地表上一點的緯度特徵也就並不唯一。ISO標準中關於這一點的描述為:如果坐標參考系統沒有完全定義,那麼坐標(主要指經度和緯度)頂多是模糊不清的,至少也是毫無意義的。這對於精確的應用非常重要,比如GPS,但是,在一般的使用中,並不需要很高的精度,通常也就不提及參考橢球面。

在英文文本中,緯度通常使用小寫希臘字母phi (φ)來表示。它以度、分、秒或者小數形式的度來計量,再附上N或S來表示北緯或南緯。

無論是為了使用經緯儀還是為了確定GPS衛星的軌道,緯度的測量都要求人們對地球重力場有充分的了解。研究地球的輪廓及其重力場的學科是大地測量學,這些內容將不會在此文中討論。通過簡單的名稱變換,這篇文章里涉及到的地球坐標系統也可以擴展運用到月球,行星和其它天體上。

緯度數值在0至30度之間的地區稱為低緯度地區;緯度數值在30至60度之間的地區稱為中緯度地區;緯度數值在60至90度之間的地區稱為高緯度地區。

赤道南回歸線北回歸線南極圈北極圈是特殊的緯線。

球體上的緯度[編輯]

地球的這個視圖展示了緯度(φ)和經度(λ)在球體模型上的定義,經緯網的刻度為10度。

球體上的經緯網[編輯]

地球上經度相同和緯度相同的線組成的經緯網,是參考地球自轉軸確定的。最基本的參考點為極點,它們是地球自轉軸與地球表面的交點。通過地球自轉軸的平面與地球表面的交線為子午線,任意一個子午線平面和格林尼治子午線平面組成的夾角定義了經度,子午線是經度相同的點連成的線。過地心且與地球自轉軸垂直的平面和地球表面相交於一個大圓,該圓被稱為赤道,平行於赤道的平面與地球表面相交於一圓,該圓上緯度相同。赤道的緯度為0°, 北極的緯度為北緯90° (記作90°N或+90°),南極的緯度為南緯90° (記作90°S或-90°)。任意一點的緯度為該點的半徑與赤道平面的夾角。

如此定義的緯度通常被稱為球形緯度,這樣可以和後文提及的輔助緯度相區別。

特定名稱的緯度[編輯]

冬至時的太陽方向

除了赤道外,四條特殊的緯線

北極圈 66° 33′ 39″ N
北回歸線 23° 26′ 21″ N
南回歸線 23° 26′ 21″ S
南極圈 66° 33′ 39" S

地球繞太陽運行的軌道平面叫做黃道,與地球自轉軸垂直的平面是赤道面。黃道面和赤道面的夾角被稱為黃赤交角,在圖中以i 表示,當前黃赤交角的值為23° 26′ 21″。因為這個角與地球自轉軸和黃道法線的夾角相同,因此這個角也被稱為地軸傾角。

該圖像展示了一個垂直於黃道且通過地球自轉軸的平面的橫截面,該時刻為冬至,太陽直射點位於南回歸線上。這時南極圈以南為極晝,而北極圈以北為極夜。夏至時太陽直射在北回歸線上,極晝極夜現象正好與冬至時相反。回歸線的緯度和黃赤交角相同,兩個極圈的緯度等於黃赤交角的餘角。只有在兩條回歸線之間地區有可能發生太陽直射現象。

這些緯線將在下面的墨卡托投影中清晰的標示出來。

球形的地圖投影[編輯]

在地圖投影中,經線緯線的形態並沒有一個明確的規定。比如,在球形墨卡托投影中,緯線是水平的,經線是垂直的;而在橫軸墨卡托投影中,並沒有垂直的或者水平的經線和緯線,它們都是一些複雜的曲線。圖中的紅線就是前文中提到的特殊的緯線。

常規墨卡托投影 橫軸墨卡托投影
MercNormSph enhanced.png
MercTranSph enhanced.png

大範圍或是全球的地圖投影,是完全滿足球形模型的,因為在最終繪製的地圖上地球橢率忽略不計。

子午線上兩點的距離[編輯]

球面上的法線通過球心,因此,子午線上一點到赤道組成的弧段所對應的球心角,其大小等於該點的緯度 (φ)。如果子午線上兩點的距離用 m(φ) 表示,那麼,

 m(\phi)=\frac{\pi}{180}R\phi_{\rm degrees}= R\phi_{\rm radians}.

其中,R表示地球的平均半徑,為6371km。這是球形模型情況下最高精度的地球半徑數值,因為更高的精度要求必須考慮地球橢率地球半徑R取值為6371km時,一度球心角所對應的子午線弧長為111.2km,一分球心角對應的子午線弧長為1.853km。

橢球體上的緯度[編輯]

橢球體[編輯]

1687年,艾薩克·牛頓出版了《自然哲學的數學原理》,在這本書中,他證明了一個旋轉著的自引力流體在處於平衡時其形狀為扁橢球[1] 牛頓的結論最終於18世紀被大地測量學證明。扁橢球體是一個橢圓繞其短軸旋轉180度得到的三維表面。旋轉橢球體在本文中統稱為為橢球體。(沒有對稱軸的橢球體被稱為三軸橢球體)

大地測量學的歷史上,人們使用過很多不同的參考橢球。發明人造衛星之前,參考橢球是為適應局部地區的水準面設計的,因為在那時人們只能得到有限區域的地理數據。隨著GPS的出現,自然的,人們開始使用地心橢球(如WGS84),地心橢球的中心和地球質心重合,其短軸和地球自轉軸重合。這些地心橢球的表面和大地水準面的距離通常在100米以內。由於緯度的定義依賴於參考的橢球,那麼同一點在不同橢球上的緯度值不一樣,因此,在沒有確定參考橢球的情況下,不可能得到一點精確的經度緯度。政府部門保存的許多經緯度數據是基於以前的參考橢球確定的,因此有必要知道不同參考橢球得到的經緯度之間該如何互相轉換。GPS手持設備包含了轉換經緯度的資料庫,該資料庫可以在WGS84坐標系和當地坐標系之間相互轉換經緯度。

大地緯度和地心緯度[編輯]

大地緯度(φ)和經度(λ)在橢球體上的定義。除了赤道上的和兩極外,橢球表面上一點的法線並不通過橢球中心。

橢球體上和球體上的經緯網構造方式是一致的。除了赤道上的和兩極外,橢球表面上一點的法線並不通過橢球中心,但是橢球體上緯度的定義並沒有改變,依然是一點的法線和赤道平面的夾角。鑒於此,緯度的用辭必須更加準確,以下是幾種不同緯度的定義:

大地緯度:表面上一點的法線與赤道平面的夾角。在英文出版物里,標準的記法為&phi。在沒有具體說明的情況下,緯度一般指的是大地緯度,大地緯度必須定義在橢球坐標系裡。
地心緯度:表面上一點的半徑(該點和地心的連線)與赤道平面的夾角。地心緯度的表示沒有統一的符號,比如ψ, q, φ', φc, φg。 在本文中,地心緯度記作ψ。
球心緯度:在球形參考系中,一點的法線和赤道平面的夾角為球形緯度。
地理緯度這個名詞必須謹慎使用,一些作者把它當做大地緯度的同義詞,然而另一些人用它來表示天文緯度
緯度(無定義)通常指的是大地緯度。

天文緯度[編輯]

天文緯度 (Φ) 是地球表面一點的真垂線與赤道平面之間的夾角。真垂線,方向和鉛垂線一致,指向重力加速度的方向。重力加速度是由地球質量產生的引力加速度和地球自轉產生的離心加速度合成的。天文緯度可以通過測量天頂恆星的角度來確定,其中,恆星的赤緯是已知的。

通常,地球表面上一點的真垂線既不與參考橢球的法線垂直,也不與大地水準面的法線垂直。天文法線和大地法線之間的夾角通常只有幾弧秒,但這個差值在大地測量學中很重要。大地水準面是理想化的平均海平面,而地球真實表面上的一點,通常比理想化的大地水準面高或低,因此該點的真垂線與大地水準面的法線並不重合。另外,地表上一點在某一時刻的真垂線還受到潮汐力影響,但潮汐作用在計算大地水準面時被抵消了。

緯度1秒的長度[編輯]

地球的子午線總長度大約20003.93km。平均:

  • 緯度1度 = 大約111km
  • 緯度1分 = 大約1.85km
  • 緯度1秒 = 大約30.9m

各緯度線附近的城市和其他地理區[編輯]

高緯度[編輯]

高緯度是地球表面南北緯度60度到90度之間的區域,是地球表面接受太陽輻射最弱的地帶。高緯度地區所具有的物理和化學特性與其它緯度帶明顯不同,其自然資源和生物資源相對較少,人類活動也比其他地區較為冷清。[2]高緯度地區的氣候寒冷,多為極地氣候亞寒帶針葉林氣候。此外,總體來說,生活在高緯度的人身高普遍較高。

中緯度[編輯]

中緯度是地球上熱帶極地之間的地區,一般指南北緯30至60度。在氣象學上有重要的地位,由於高緯度和低緯度的盛行氣團在此交匯,本區的氣旋活動頻繁。中緯度內陸地區的氣溫與沿海差異較大,內陸大陸性較強 。

參考[編輯]

  1. ^ Isaac Newton:Principia Book III Proposition XIX Problem III, p. 407 in Andrew Motte translation, available on line at [1]
  2. ^ 高緯度 - 鐵血網. [2014-06-13] (簡體中文). 

參見[編輯]