杨坚在夺取北周政权的时候，“欲以符命曜于天下”，在为他积极制造改朝换代舆论、宣扬符命征象的人士中，有一位略知历法的道士张宾。隋皇朝建立以后，最初沿用北周的《大象历》。为满足新朝改历的政治需要，张宾献上了对何承天《元嘉历》略加修改而成的《开皇历》，于开皇四年(584)颁行天下。但是曾担任过北齐历官的刘孝孙，以及名重一时的经学家和天文学家刘焯等都不赞成使用《开皇历》。他们清楚地看出《开皇历》的缺陷，如该历糟粕较多、术意不清、推算不准，特别是并未吸取《元嘉历》的优点，制历者不懂岁差，也不知道定朔，而这些问题早已分别为南朝的祖冲之和何承天所解决，因此，其历术明显地落后于当时天文历法的发展水平。张宾倚仗皇帝的宠信，不但不接受批评，反而攻击二刘“非毁天历，率意迂怪”，“妄相扶证，惑乱时人”，并将他们逐出京城。张宾死后，刘孝孙带着自己编的一部历法再次上京谋求改历，可是又受到与张宾一党的太史令刘晖的压制，后刘孝孙虽然进入司天监，却“累年不调，寓宿观台”，无法出头。后来孝孙抱书扶棺冒死上奏，于是引起隋文帝的注意，并命人经过实测比较后再决定是否改历。开皇十四年(594)，经实测证明，刘孝孙的历法和参与实测的另一部张胄玄的历法，都比《开皇历》优越，孝孙提出先斩阻碍改历的刘晖，再议改历，但杨坚不肯，也不采用他的历法。不久后，刘孝孙去世。开皇十七年颁用了张胄玄的新历。
曾经看过孝孙历术的刘焯，对张胄玄的历法提出许多批评，指出其术文不少是抄袭刘孝孙的，历法也比较粗疏。他于开皇二十年(600)编成一部新的历法《皇极历》，希望能得到颁用。但张胄玄与太史令袁充编造了所谓“日长之瑞”的假天象，深得皇帝宠信，刘焯得不到支持，于大业四年(608)抱憾而终。大业六年，张胄玄修改了自己历法中的许多数据，颁布于世，为《大业历》。大业历的回归年长日，朔望月长日，采3651036342640296071144用破章法，在410年中设置151个闰月，定岁差为83年冬至点西行一度，考虑了太阳视运动的不均匀性和月球视差对交食的影响，其行星会合周期的数值也十分精确，例如所定金星的数值是583.922日，与今采用值相同，并将原定冬至点起虚五度改为起虚七度，使《大业历》成为隋代一部比较好的历法。事实上，没有得到颁行的刘焯的《皇极历》，是隋代出现的最好的一部历法。刘焯(544—610)字士元，信都昌亭(今河北冀县)人，是隋初著名学者和杰出的天文学家，著有论述历家同异的《稽极》10卷，《历书》10卷和《五经述议》等。他所创制的《皇极历》将张子信发现的太阳视运动的不均匀性引入历法，并提出不等间距二次差内插法的数学方法，解决了采用定气法的计算问题。《皇极历》计算定朔的方法也是我国古代最早同时考虑日、月视运动不均匀性的定朔法。《皇极历》采用的天文数据也相当精确，如定回归年长度为365.24454日，朔望月长度29.530596日，采用破章法，在676年中设置249个闰月。又如定岁差率约76.5年相差一度，与今采用值接近。行星会合周期也很准确，如水星采用值115.878日与今值相同。由于皇极历成就突出，《隋书》打破只收颁行过的历法的框框，破例将该历收入《隋书》的《律历志》中。
中国星官体系的完善
三国两晋时期，陈卓建立起一个有283个星官、1464颗星的星官体系，是一个既能区分甘、石、巫三家星，又按二十八宿划分的中国星座体系。此后南朝的宋、梁、陈等，都曾制造过按陈卓星官体系标示的浑天象;北朝孙僧化、庾季才等也有星象著述。隋文帝平陈以后将南朝的浑仪、浑天象及天文图籍都集中于长安，北周的庾季才、陈国的周坟等天文学家也入隋为官，他们又奉杨坚之命，参照各家星官，绘成星图。周坟与袁充等人还在太史局教授太史观生，学习星象知识。隋末唐初，又有李播写成《天文大象赋》，用诗赋描述全天星官。当时星官体系主要存在两个问题：一是过分强调三家星的区分，使星空划分成为二元体系，而到了唐代已不像前代那样重视三家星的划分;另一个问题是在拱极区与黄道星空之间，还有两个区域比较空白，命名的星不够多，显得整个星空分布不够均匀。
开元年间王希明解决了上述两个问题，他的著名作品《丹元子步天歌》既是认星歌诀，也是一个星空划分的新体系。《步天歌》一改既分三家星又分二十八宿的二元划分法，只按二十八宿划分星空，有时还用黑色表示甘氏星，黄色表示巫咸氏星，不加颜色说明的就是石氏星，从而醒目明了，但减弱了对三家星的强调。他又明确划分三垣：即紫微垣，太微垣和天市垣，并充实了围在三垣内的恒星的命名，使《步天歌》成为开创三垣二十八宿新体系的代表作。三垣二十八宿分区法将全部星空划分成三十一个天区，是一种星官分布比较均匀、可分区认星的完整的星官体系。这一体系一直沿用到近代。《步天歌》七言有韵，介绍星官名称、星数和位置等，简明通俗，便于记忆，是后来天文学家初学天文时的必读之书，古人称誉它“句中有图，言下见象，或约或丰，无余无失”。例如关于柳宿的歌诀为：“八星曲头垂似柳，近上三星号为酒，享宴大酺五星守。”将柳宿的星数、外形、周围星官的名称及星数都说得非常清楚。
星官体系的完善带来了星象知识的进一步普及。流传至今的唐代二十八宿铜镜，是星象知识在用具装饰中的应用，并赋予其一种神秘的色彩。敦煌藏经洞中发现的唐代星图抄本，是当时人们重视星象知识的证明。敦煌星图，一说绘于八世纪初，一说绘于十世纪中。图上有1350多颗星，这是世界上现存最早且星数最多的一份星图，现藏于英国伦敦大不列颠博物馆。除这些绘制有所依据的星图外，唐代还有许多表意性星图，如贞观四年(630)的李寿墓以及懿德太子、永泰公主、章怀太子等墓，都有墓室天象图，图中绘有日月、银河及星象。甚至在远距长安的新疆吐鲁番，也有唐墓星图，但与长安的那几幅星图比较，少了表意性，多了装饰性，并且二十八宿图案经过艺术化处理。五代时期留存的吴越国墓室星图，更优越于上述星图，其二十八宿连同辅官附座有180多颗星，且星象相对位置比较符合实际天象。
天文仪器的复杂化和功能综合化
隋唐时期天文仪器有许多新的创造。如隋文帝时耿询根据张衡制作过水运浑象的记载，重新制成一台不用人力的水运浑象，他还发明了马上刻漏，以作在行进中计时之用，世称其妙。他与宇文恺合作仿照北魏道士李兰的作品制作了称水漏器，这种称漏后来在唐代曾风行一时。
贞观年间天文学家李淳风制造出一台浑天黄道仪，这是一台很复杂的浑仪。这台仪器有三重环组，即六合仪、三辰仪和四游仪，李淳风的创造主要为其中的三辰仪。为了更好地测算太阳和月亮的运动，仪器上安装了黄道环与白道环。而增加两个圆环，就要解决仪器上的黄道与天空黄道在观测时刻的平行问题，要解决岁差改变黄道与赤道的交点问题，还要解决黄道与白道的相对位置和黄白交点移动的问题等等，所以这是一台大大复杂化了的仪器。浑天黄道仪于贞观七年(633)制成并为世所称赞，后将该仪置放在皇宫内的凝晖阁。
开元十一年(723)，一行为改历实测天象，与梁令瓒研制了新的天文仪器，叫做黄道游仪。顾名思义，这是一台黄道环能在赤道环内游动的仪器。其基本原理与李淳风的浑天黄道仪相同，不同的是，赤道环上每隔一度有一孔，用以固定黄道环，使黄道环能模仿古人所理解的岁差现象，不断沿赤道退行。一行用黄道游仪作了许多观测工作，为修订大衍历、推算交食等提供了大量准确的数据。通过这台仪器对二十八宿天体位置测量的结果，还发现了恒星位置与古代测量值不相同。这种现象反映了岁差对测定天体位置的影响。
一行还和梁令瓒合作制造了一台水运浑天俯视图。据《旧唐书·天文志》所载，它的主体是一个缀有星象、赤道和刻度的铜球，铜球有轴可以转动，球外设置两个圆环，是为黄道与白道，环上分别有太阳与月球，日月可与铜球同时运行。该仪装在木柜中，并以木柜为地平，仪器半在地下，其运转以水为动力“注水激轮，令其自转，一日一夜，天转一周”。这台仪器除表演天象外还能报时，地平之上立有二木人，每刻自动击鼓，每辰自动撞钟，从而使这台仪器成为具有钟表和表演给定时刻的星象及日月位置功能的多功能综合天文仪器。水运浑天俯视图展现了盛唐时期天文仪器的风貌与特点，北宋苏颂、韩公廉等正是在此基础上加以改进和创新，创制出举世闻名的水运仪象台。
气象知识的进步
隋唐时期，对气象气候不论在实际观测还是在理论方面都有所进步。关于气象气候的观测资料在《隋书》、《旧唐书》和《新唐书》的《五行志》中有记载。此外，在农书和方志中也有不少涉及雨、雪、雹、霜、雾、气温异常、大风、干旱等天气现象的记录。
这一时期对气象规律的认识尤其是在观风和观雨等方面都有所进展。如李淳风对风就很有研究，在《乙巳占》中有专论风的候风法、占风远近法、推风声五音法等。其中候风法专门介绍了相风旗、羽葆和木乌等测风仪器。在另一部著作《观象玩占》中，按子、癸、丑、离、寅、甲、卯、乙、辰、巽、巳、丙、午、丁、未、艮、申、庚、酉、辛、戌、乾、亥、壬将风向定为24个，其中子、午、卯、酉分别表示北、南、东、西四个方向。他在该书卷四八中还写道：“凡风发，初迟后疾者，其来远;初急后缓者，其来近。动叶十里，鸣条百里，摇枝二百里，落叶三百里，折小枝四百里，折大枝五百里，飞砂走石千里，拔大根三千里。凡鸣条以上，皆百里风也。”《乙巳占》卷十《占风远近法》也有类似的记载。这一记载对风力大小和形成风的范围作了生动形象的描述。这实际上也是一种用树木动态作标准来判断风力的方法。这种方法与十九世纪初英国人蒲福提出的风力分级法类似，但比蒲福早一千一百多年。
邵谔的《望气经》，对于各种云的区别，如颜色和形状的差异等有相当仔细的观察和记述。关于雨的预兆，《开元占经》卷九八中有：“虹蜺见，雨即晴，旱即雨。”“久雨虹见即晴，久旱蜺见即雨也。”唐代黄子发的《相雨书》可说是一部关于降雨的气象学专著。该书主要内容有：(1)观云，从云的形状、颜色、所处地理位置、云行速度等来预报下雨的时间及雨量大小，如“清晨云如海涛者，即时风雨兴也”。(2)候气，如“视日出，气正白，日入，气正赤者，皆走石飞砂”。(3)看虹，如“晚有断虹占，半夜有雨达日中”。(4)看雾，如“日始出，南方有雾者，辰刻雨”。该书还有关于风雨云气等气象占的内容和一些有参考价值的农谚。《说郛》所收的《相雨书》内容不多，仅有十条。元朝大德八年(1304)刊本方回序的《相雨书》则有二十多条。从方回的序言可知，《相雨书》共有十篇、一百六十九条。现存者已非原书面貌。
天文历数学
北魏末年，张子信避葛荣兵乱，隐居海岛，用圆仪测天，历三十年，始悟日行有盈缩(快慢)。冬至前后，地距日最近，行最快，看来好象日行最快。夏至前后，地距日最远，行最慢，看来好象日行最慢。初步发现了日行盈缩的规律。名儒刘焯始立盈缩差法。六○○年，刘焯造《皇极历》，推日行盈缩，黄道月道损益，日月食多少及所在所起，都比以前诸历精密。定朔法、定气法也是刘焯的创见。《皇极历》被排斥不得施行，但对天文历数学提供了新成就。唐高宗时，李淳风依据《皇极历》造《麟德历》，被推为古代名历之一。
耿询有巧思，隋文帝时，创意造浑天仪，用水转运，与天象密合。又作精巧刻漏，可在马上使用。
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