经纬度与坐标定位

引入

地球上任何一个位置都可以用两个数字精确定位——这套坐标系统是怎么建立的?

为什么同一条纬线上的地点气温大致相似,而同一条经线上的地方正午时刻相同?

国际日期变更线为什么不是一条直线?

经纬度是地理学最基本的空间定位工具。它将地球表面的任意位置转化为可计算、可比较的数值坐标,也是理解地球的自转与公转中时间差异和气候纬度分布的数学基础。

正文

定义

经纬度是地球表面的球面坐标系统。纬度表示某地与赤道的角度关系（南北方向）,经度表示某地与本初子午线的角度关系（东西方向）。两者共同构成经纬网,可以精确标定地球上任何一个位置。

纬线与纬度

纬线的性质:

性质	说明
形状	圆圈（与赤道平行的圆）
长度	赤道最长（约 40076 km）,向两极递减为零
方向	指示东西方向
间距	各纬线之间间距相等（每 $1°$ 约 111 km）
数量	无数条

纬度的划分:

纬度	名称	地理意义
$0°$	赤道	南北半球分界线,全年太阳直射两次
$23.5°$（回归线）	北回归线 / 南回归线	热带与温带的分界线,太阳直射的最北/最南界限
$66.5°$（极圈）	北极圈 / 南极圈	温带与寒带的分界线,极昼极夜的最南/最北界限
$30°$ / $60°$	低纬/中纬/高纬分界	气候分带的参考线
$90°$	北极点 / 南极点	纬线缩为一点

低、中、高纬的划分:

区域	纬度范围
低纬	$0°\sim 30°$
中纬	$30°\sim 60°$
高纬	$60°\sim 90°$

经线与经度

经线的性质:

性质	说明
形状	半圆弧（连接南北两极的半圆）
长度	所有经线长度相等（约 20004 km）
方向	指示南北方向
间距	赤道上间距最大（每 $1°$ 约 111 km）,向两极递减为零
数量	无数条

经度的划分:

经度	名称	地理意义
$0°$	本初子午线	通过英国格林尼治天文台旧址,东西经分界线
$180°$	国际日期变更线（大致）	东西经的另一条分界线
$20°\text{W}$ 和 $160°\text{E}$	东西半球分界线	将 $20°\text{W}$ 以东至 $160°\text{E}$ 划为东半球

关键区分

东西半球的分界线不是 $0°$ 和 $180°$,而是 $20°\text{W}$ 和 $160°\text{E}$。这样划分是为了避免把欧洲和非洲大陆分割在两个半球内。

经纬网的应用

定位:

任何一个地理位置都可以用经纬度精确表示。例如:

• 北京:约 $40°\text{N}$,$116°\text{E}$
• 纽约:约 $41°\text{N}$,$74°\text{W}$
• 悉尼:约 $34°\text{S}$,$151°\text{E}$

判断方向:

• 同在一条经线上的两点:正南正北关系。
• 同在一条纬线上的两点:正东正西关系。
• 不在同一经线或纬线上的两点:先判断南北,再判断东西,最后综合。

计算距离:

方向	计算方法
沿经线（南北方向）	纬度差 $\times 111\text{ km}/°$（任何纬度均适用）
沿纬线（东西方向）	经度差 $\times 111\text{ km}/°\times \cos (\text{纬度})$（赤道上最大,两极为零）

判断最短航线:

球面上两点间的最短距离是过两点的大圆的劣弧。大圆是指圆心与球心重合的圆（赤道和经线圈都是大圆）。

时区与区时

地方时:

地球自转使不同经度的地方见到太阳的时刻不同。经度每差 $1°$,地方时差 4 分钟;每差 $15°$,差 1 小时。

时区划分:

时区	中央经线	区时
中时区	$0°$	格林尼治时间（GMT）
东一区 ~ 东十二区	$15°\text{E}$ ~ $180°$	GMT+1 ~ GMT+12
西一区 ~ 西十二区	$15°\text{W}$ ~ $180°$	GMT-1 ~ GMT-12

区时计算方法:

1. 确定两地所在时区。
2. 计算时区差（同侧相减,异侧相加）。
3. 东区时间早于西区（东加西减）。

国际日期变更线:

大致沿 $180°$ 经线,但有若干曲折以避免穿过陆地。

跨越方向	日期变化
从东向西（从美洲到亚洲）	日期加一天
从西向东（从亚洲到美洲）	日期减一天

实际应用

GPS 定位系统利用卫星信号确定接收机的经纬度和海拔,精度可达米级甚至厘米级。这是现代地理工具与技术中最基础的空间定位手段。

引出

经纬度是球面坐标,将它转换为平面地图时需要地图投影——这如何影响比例尺、方向与图例的准确性?

等高线如何在二维地图上表示三维地形?这与经纬网定位如何结合使用?

经纬度的纬度分布如何影响大气环流和世界气候类型的带状分布?