元朝，郑州管辖管城、荥阳、汜水、河阴、原武、新郑、密县、荥泽八县。受连绵不断战火的影响，中原地区农业遭到了巨大破坏，土地大片荒芜，经济发展处于停滞状态。忽必烈统一中国后，为了发展农业，掌握季节变化，改进历法，由郭守敬、王旬主持，在登封告成镇建造了全国天文观测中心——观星台，这是世界现存最古老的天文建筑。
    明朝建立后，朱元璋对地方建制进行改革，实行省、府、州三级制，郑州隶属开封府。为改变中原地区人口稀少，土地荒芜，农业衰退的局面，明王朝在河南设置司农司，专管垦田事宜，并出台了许多奖励垦殖的政策，郑州地区的农业生产得到了恢复和发展。
    明朝末年，各地爆发农民起义，波及郑州地区。崇祯八年(1635年)，高迎祥、张献忠等十三家农民起义军集会荥阳，商讨对明作战的方案。李自成提出的“分兵定向”主张，得到大家赞同。之后，高迎祥、李自成率领的起义军在豫、川、陕之间与明军作战。崇祯十五年(1642年)五月，李自成攻破郑州城，给明朝统治者以沉重打击。清朝时期，郑州曾两次升为直隶州(直属于省，与府平级或略次子府，一般辖有县)，下辖荥阳、荥泽、河阴、汜水四县。

    我国是世界天文历法发展较早的国家之一，取得的天文学历法成就举世瞩目。元代天文学家郭守敬在郑州登封兴建的观星台及编著《授时历》，在世界天文历法史上占有重要的地位。   
    郭守敬，宇若思，邢台(今河北邢台)人，出身于书香门第，其祖父郭荣精通天文、数学、水利，是金、元时期著名的学者。耳濡目染，使郭守敬从小就对科学知识有浓厚兴趣，20岁时就制作出了一台非常精确的铜质莲花漏(计时器)。后来，他把这个莲花漏献给了元世祖忽必烈，深得赏识。又因他通晓水利，元世祖任命他为都水少监(水利官员)，由此郭守敬走上了科学发明的道路。
    忽必烈统一中国后，为了掌握四季时节气候变化规律，指导农业生产，设立专门机构，改进历法，郭守敬、王圭等人被指派负责此项工作。他们在东起朝鲜半岛，西至河西走廊，北到西伯利亚，南达南中国海范围内，建立了27个天文台和观测站。至元十六年(1279年)，郭守敬来到登封告成镇。历史上周公姬旦、南宫说、姚玄、一行等先贤都以此地为大地中心，测量日影，验证季节时令的变化，经过一番考察，郭守敬决定在这里建设一座中心观测台。他亲自设计建台方案，率领众人在“周公测景台”旁建起了自己的“观星台”，即现在的登封观星台。观星台为砖石结构建筑，由覆斗状的台体和石圭(gui)组成。台上是观测星象和计算测量数据的场所；石圭又称作“量天尺”，是测量水平的仪器，它由台北向外延伸31．2米，上面刻有水流渠。太阳照在观星台上时，根据日影在石圭上的长短变化，可以划分春分、秋分、冬至、夏至等四季节气。观星台为郭守敬观测天象、编订新历法提供了大量数据。至元十八年(1281年)，郭守敬主持的新历法终于编制完成。按照古籍《尚书》里的“敬授天时”这句话，元世祖忽必烈把这部新历法定名《授时历》，意思是告诉老百姓日月时光，不错过耕农的好时节，忽必烈还诏令天下，全国正式实施《授时历》。《授时历》是当时最先进的历法，《授时历》中，郭守敬推算出一年为365．2425日，与现代天文学家用精密仪器测出地球绕太阳一周的实际时间只差26秒，与世界许多国家使用的格利高里历(即公历)分秒不差，而《授时历》却比格利高里历早了三百年。除了编订新历法，郭守敬还研制、改进了许多天文仪器，如简仪、仰仪、候极仪、高表、悬正仪等，在当时都曾广为应用。登封观星台是中国现存完好的最早一座天文建筑，也是世界上现存最早的天文台之一。观星台旁还有一处古迹“周公测景台”，建于唐代开元十一年(723年)，又名“八尺表”，俗称“无影台”，它为青石制作，由台座和石柱两部分组成，台座称“圭”，石柱称“表”，表上刻有“周公测景台”等字，是我国古代以“表”、“圭”量日影、验节令、计年的原始仪器。“周公测景台”相传是西周初年大政治家周公姬旦兴建东都洛阳，在此地进行天象观测而创建，它是我国现存最早的天文仪器。

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