汉代以前人们对西域的认识，来自于古史与神话。在司马迁《史记·大宛列传》之后，中国史籍上不乏关于西域的记载，体现了这个时代人们对西域的认知和阐述。两汉魏晋南北朝正史有15种，包含有关西域的传记计11篇，即《史记·大宛列传》《汉书·西域传》《后汉书·西域传》《晋书·西戎传》《梁书·西北诸戎传》《魏略·西戎传》《周书·异域传下》《隋书·西域传》《南史·西域诸国传》《北史·西域传》和《三国志》裴注所引《魏略·西戎传》。
两汉魏晋南北朝正史“西域传”记述的出发点不是西域或西域诸国本身，而是中原王朝经营西域的角度，是从中国人的眼光所看到的“西域”。《史记·大宛列传》所载西域诸国多在葱岭以西，这是因为张骞这次西使，大多位于葱岭以西。
在司马迁之后，班固撰《汉书·西域传》转述了《史记·大宛列传》的大部分内容，但介绍最多的是葱岭以东的诸国。考定这些国家的地理位置，大部分在今我国新疆境内。此外，还有大宛、安息、大月氏、康居、浩罕、坎巨提、吉宾、乌弋山离等十几个西域小国，现在中亚及阿富汗、印度等国境内。葱岭以西诸国中，尤以安息和大秦最受重视。
《后汉书·西域传》所载“西域”的范围还超过了《汉书·西域传》所载，将亚平宁半岛和地中海东岸、北岸和南岸也包括在内。这是两汉魏晋南北朝正史“西域传”所描述的“西域”中涉及范围最大的，以后各史“西域传”再也没有越出这一范围。学术界对《后汉书·西域传》的记载十分重视，德国汉学家夏德（Friedrich Hirth）指出：
《后汉书·西域传》共有587字，为明代以前中国文献对极西的国家——大秦的第一次记载。书中所记关于大秦国的位置、边界、首都、人民、物产、工艺的许多事实，且不说由后来历史所提供的任何附加的材料，如果不是有些研究这个问题的欧洲汉学家，不幸抱有偏见，本来就足够可以提供作为考定这个国家所在的基础。[35]
让－诺埃尔·罗伯特则指出：“该书虽然成书较晚，内容却是关于先前历史的事实。作者在写有关166年罗马人使节来中国进行的一次著名的访问时提到了西方，他主要依据的是班勇将军递交皇帝的一份报告。……这份报告给我们展示的是2世纪初一个中国人对西方的看法，这份资料相当重要，因为当时中国对那些濒临‘西方大海’，也就是地中海的国家表现出了极大的兴趣。”“我们通过《后汉书》中这些旅行者的报告，发现一个不可忽视的事实，这就是要尽量反映客观和准确。至于其夸张之处，对于天子的朝臣们来说，在编写这类文献史时是不可避免的。”[36](www.xing528.com)
汉魏以后，一方面，中原与西域交通的兴盛，使人们对西域地理分区的认识进一步发展；另一方面，汉魏以降，佛教兴盛，西行求法热潮的掀起，极大地促进了内地对西域与中亚地理认识的发展。
《汉书·西域传》始以通西域的南、北两道记叙其沿线各国情况之后，晋代的《魏略·西戎传》和裴矩的《西域图记》则始分3道记述西域地理。这种分道叙述交通沿线各地地理情况的方法，已具有一定的地域观念。前述北魏太延三年（437），太武帝拓跋焘派董琬等出使西域。董琬等还京师后在陈述西域情况时，首次明确地提出西域的地理分区。
汉以前对西域的沙漠仅有极少的记载。白龙堆是西域著名的沙漠之一，对此《汉书·西域传》只有鄯善“当白龙堆，乏水草”的简略记载。法显等以其亲身经历，在《佛国记》中对其荒凉情况作了生动的描述。东晋以后，有关塔克拉玛干沙漠始见于记载。法显在《佛国记》中叙述他在去于阗时说：“西南行，路中无居民，沙行艰难……在道一月五日，得到于阗。”《高僧传》卷五记载法勇西行求经中，亦说：“初至河南国，仍出海西郡，进入流沙，到高昌郡。”法显和法勇两位高僧西行求法所经过的沙漠位于今新疆南部、塔里木盆地中部的塔克拉玛干沙漠。
自张骞通西域之后，葱岭成为中西交通行经之地，但是汉代对这一地区地理情况的描述甚少。法显在赴西域求法时穿越了葱岭，在《佛国记》中他首次对葱岭地区的地理情况作较为具体的记述。首先他记载了葱岭地区的植物情况：“自葱岭已前，草木果实皆异，唯竹及安石榴、甘蔗三物与汉地同耳。”然后，他对葱岭地区的冰川地貌作具体的描述，主要描述了高山冰裂风化作用所形成的石砾和露岩地面，又生动地记述了具有极强冲蚀力的冰雪融水所形成的峡谷峻削。其后，北魏的宋云在《宋云行纪·汉盘陀国》中生动地记述帕米尔地区高耸入云、坎坷险阻的地势：“自此以西，山路欹侧，长坂千里，悬崖万仞，极天之阻，实在于斯。太行孟门，匹兹非险，崤关陇坂，方此则夷。自发葱岭，步步渐高，如此四日，乃得至岭。依约中下，实半天矣。”
早在战国时代，中国已经有了地图以及有关绘制地图的知识，汉时已有西域图。《汉书·西域传》“渠犁”条，述桑弘羊与丞相御史大夫条奏轮台屯田事，说“各举图地形，通利沟渠，务使以时益种五谷”。《三国志·乌桓东夷传》注引《魏略》说：“又西域旧图云：罽宾、条支诸国出琦石。”所谓旧图，当指汉代之西域图，此种图至鱼豢时尚能得见，而且据“出琦石”三字，又可知图上注明各国各地物产，说明此种图乃有方便出使西域的汉使进行贸易的导行性质。《汉书·李陵传》记载：“陵于是将其步卒五千人，出居延，北行三十日，至浚稽山止营，举图所过山川地形，使麾下骑陈步乐还以闻。”《汉书·赵充国传》记载赵充国语：“百闻不如一见，臣愿驰至金城图上方略。”因此学者推测，张骞、班超、甘英等人，可能会根据自己的经历绘制西亚、中亚的地图。
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