气象学是大气科学的一个分支，包括大气化学和大气物理学，主要侧重于天气预报。气象学的研究可以追溯到几千年前，尽管气象学直到18世纪才取得重大进展。19世纪，天气观测网络在广大地区形成后，该领域取得了一定的进展。先前预测天气的尝试依赖于历史数据。直到20世纪下半叶，物理学定律得到阐明，尤其是计算机的发展，使得模拟天气的许多方程得以自动求解，天气预报才取得重大突破。天气预报的一个重要领域是海洋天气预报，因为它涉及海洋和沿海安全，其中天气影响还包括大气与大水体的相互作用。
气象现象是由气象学解释的可观测的天气事件。气象现象通过地球大气的变量来描述和量化：温度、气压、水蒸气、质量流量，以及这些变量的变化和相互作用，还有它们如何随时间变化。不同的空间尺度用于描述和预测当地、区域和全球的天气。
气象学、气候学、大气物理学和大气化学是大气科学的分支学科。气象学和水文学构成了水文气象学的跨学科领域。地球大气和海洋之间的相互作用是海气耦合系统的一部分。气象学在许多不同的领域都有应用，如军事、能源生产、运输、农业和建筑。
meteorology 一词来自古希腊 μετέωρος metéros （meteor流星）和 -λογία logia（-(o)logy）学科），意思是“对高空事物的研究”。
基于年周期预测降雨和洪水的能力显然是人类至少从农业定居的时候就使用的。早期预测天气的方法是以占星术为基础的，并由祭司实践。巴比伦石碑上的楔形文字包括雷电和雨水之间的联系。迦勒底人区分了22°和46°光晕[1]。
古代印度奥义书提到了云和季节[2]。 娑摩吠陀提到当某些现象出现时要实施的供奉祭祀[1]。 瓦拉哈米希拉的经典作品《Brihatsamhita》，写于公元500年左右，[2] 提供天气观测的证据。
公元前350年，亚里士多德写了《气象学》。[3] 亚里士多德被认为是气象学的创始人。[4] 《气象学》中描述的最令人印象深刻的成就之一 是对现在被称为水文循环的描述。[5]
《宇宙论》一书(创作于公元前250年以前或公元前350年至200年之间)指出：[6]
希腊科学家提奥夫拉斯图斯编纂了一本关于天气预报的书，叫做《符号之书》。提奥夫拉斯图斯的工作在近2000年来对于天气研究和天气预报依然具有重要影响力。[7] 公元25年，罗马帝国的地理学家庞波尼乌斯·梅拉正式确定了气候带系统。[8] 根据图菲克·法赫德的说法，大约在9世纪，迪奈瓦里写了《Kitab al-Nabat （植物之书)》，其中论述了穆斯林农业革命期间气象学在农业中的应用。他描述了天空的气象特征，行星和星座，太阳和月亮，指示季节和雨的月相 anwa (雨的天体)和大气现象，如风、雷、闪电、雪、洪水、山谷、河流、湖泊。[9][10][查证请求]
早期预测天气的尝试通常与预言和占卜有关，有时是基于占星术的观点。菲茨罗伊上将试图将科学方法与预言方法分开。[11]
托勒密在天文观测的背景下写到了光的大气折射。[12] 1021年，阿尔哈曾证明了大气折射也是暮光的原因；他估算出当太阳在地平线下19度的时会产生暮光，并且还利用基于此的几何原理来估算地球大气的最大可能高度为52,000passim （大约49英里或79公里）。[13]
圣艾伯特大帝第一个提出每一滴雨都有一个小球体形式，这种形式意味着彩虹是由光线与每一滴雨相互作用而产生的。[14] 罗杰·培根是首次计算了彩虹角度，他表示彩虹峰顶不会高于地平线以上42度。[15] 在13世纪末和14世纪初，弗莱堡的卡迈勒·艾尔丁·菲里斯和狄奥多里克第一个对主虹现象给出了正确的解释。狄奥多里克进一步的也解释了副虹。[16] 1716年，埃德蒙·哈雷提出极光是由沿着地球磁场线移动的“磁臭”引起的。
1441年，朝鲜世宗国王的儿子文宗王子，发明了第一个标准雨量计。[17] 这些都是朝鲜王朝时期的官方工具，用来根据农民的潜在收成来评估土地税。1450年，莱昂·巴蒂斯塔·阿尔贝蒂改进了一种摆动式风速计，被称为第一台风速计。[18] 1607年，伽利略·伽利雷建造了一个测温仪。1611年，约翰内斯·开普勒写了第一篇关于雪晶的科学论文《Strena Seu de Nive Sexangula》“ 六角雪的新年礼物”。[19] 1643年，埃万杰利斯塔·托里拆利发明了水银气压计。[18] 1662年，克里斯托弗·雷恩爵士发明了机械式自动排空翻斗雨量计。1714年，加布里埃尔·华氏用汞型温度计创建了可靠的温度测量标准。[20] 1742年，瑞典天文学家安德斯·摄尔修斯提出了“摄氏度”温标，是当前摄氏温标的前身。[21] 1783年，霍勒斯·贝内迪克特·德·索绪尔展示了第一台毛发湿度计。1802-1803年，卢克·霍华德写了《云的改变》，他在其中命名了各种云的拉丁名称。[22] 1806年，弗朗西斯·博福介绍了他的风速分类系统。[23] 19世纪末，第一批云图集出版了，包括了至今仍在印刷中的国际云图集。1960年4月成功发射的第一颗的气象卫星泰罗斯1号标志着全球气象信息时代的开始。
1648年，布莱士·帕斯卡重新发现大气压力随高度的增加而下降，并推断出大气层上方存在真空。[24] 1738年，丹尼尔·伯努利出版了《流体力学》，开创了气体动力学理论，建立了气体理论的基本定律。[25] 1761年，约瑟夫·布莱克发现冰在融化时吸收热量而不改变温度。1772年，布莱克的学生丹尼尔·卢瑟福发现了氮，他称之为燃尽的空气，师生一起发展了燃素理论。[26] 1777年，安东尼·拉瓦锡发现了氧气，并对燃烧做出了解释。[27] 1783年，在拉瓦锡的文章《燃素说的反思》中，[28] 他反对燃素理论，并提出了热量理论。[29][30] 1804年，约翰·莱斯利爵士观察到粗糙的黑色表面比抛光的表面更有效地辐射热量，这表明黑体辐射的重要性。1808年，约翰·道尔顿在《一种新的化学体系》中为热量理论辩护，并描述了它如何与物质，特别是气体结合；他提出气体热容量与原子量成反比。1824年，萨迪·卡诺用热量理论分析了蒸汽机的效率；他发展了可逆过程的概念，并假定自然界中不存在此过程，奠定了热力学第二定律的基础。
1494年，克里斯托弗·哥伦布经历了一次热带气旋，这导致了欧洲对飓风的首次书面描述。[31] 1686年，埃德蒙·哈雷对信风和季风进行了系统的研究，并将太阳能加热确定为大气运动的原因。[32] 1735年， 乔治·哈德利通过对信风的研究给出了全球环流的理想解释。[33] 1743年，当本杰明·富兰克林因飓风而无法观看月食时，他确定飓风以与周围风相反的方式移动。[34] 起初，对地球自转如何精确影响气流的运动学理解是片面的。加斯帕尔-古斯塔夫·科里奥利在1835年发表了一篇关于带有旋转部件(如水轮)的机器的能量产出的论文。[35] 1856年，威廉·费雷尔提出在中纬度地区存在一个环流圈，其内部的空气被科里奥利力偏转，导致盛行西风。[36] 19世纪末，气团沿等压线的运动被认为是压力梯度力和偏转力大规模相互作用的结果。到1912年，这种偏转力被称为科里奥利效应。[37] 就在第一次世界大战后，由威廉·皮叶克尼斯领导的一组挪威气象学家发展了挪威气旋模型，解释了中纬度气旋的产生、增强和最终衰减(生命周期)，并引入了锋的概念，即气团之间的明确界限。[38] 该小组包括卡尔-古斯塔夫·罗斯比(首次用流体动力学解释大规模大气流动)、托尔·贝杰龙(首次确定雨是如何形成的)和雅各布·比约克内斯。
在16世纪末和17世纪上半叶，一系列气象仪器被发明出来——温度计、气压计、比重计以及风雨计。十九世纪五十年代，自然哲学家开始使用这些仪器系统地记录天气观测。科学院建立了天气日记和有组织的观测网络。[39] 1654年，费迪南多二世·德·梅第奇建立了第一个天气观测网络 由佛罗伦萨、库蒂利亚诺、瓦龙罗萨、博洛尼亚、帕尔马、米兰、因斯布鲁克、奥斯纳布吕克、巴黎和华沙的气象站组成。收集的数据定期发送到佛罗伦萨。[40] 16世纪60年代，伦敦皇家学会的罗伯特·胡克赞助了气象观测网络。希波克拉底的著作《空气、水和地点 》把天气和疾病联系起来。因此，早期气象学家试图将天气模式与流行病爆发联系起来，将气候与公共健康联系起来。[39]
在启蒙时代，气象学试图使传统气象知识合理化，包括占星气象学。但是也有人试图建立对天气现象的理论理解。埃德蒙多·哈雷和乔治·哈德利试图解释信风。他们推断上升的赤道热空气被来自高纬度的冷空气所取代。从赤道到极地的高空暖气流反过来建立了早期的环流图像。气象观测员缺乏训练和仪器质量差的挫折，致使早期现代民族国家组织了大型观测网络。因此，到18世纪末，气象学家可以获得大量可靠的天气数据。[39] 1832年，席林男爵发明了一种电磁电报。[41] 1837年电报机的出现，第一次提供了一种实用的方法来快速收集大范围的地面天气观测数据。[42]
这些数据可以用来绘制地球表面附近区域的大气状态图，并研究这些状态是如何随时间演变的。根据这些数据进行频繁的天气预报需要一个可靠的观测网络，但是直到1849年史密森学会才开始在约瑟夫·亨利的领导下在美国各地建立观测网络。[43] 当时欧洲也建立了类似的观测网络。威廉·克莱门特·莱牧师是理解卷云和较早理解急流的关键人物。[44] 查尔斯·肯尼斯·麦金农·道格拉斯，也就是众所周知的“CKM”道格拉斯，在莱伊去世后阅读了他的论文，并对天气系统进行了早期研究。[45] 十九世纪气象学研究人员来自军事或医学背景，而不是经过专门训练的科学家。[46] 1854年，英国政府任命罗伯特·菲茨罗伊到贸易委员会的象统计办公室负责收集海上气象观测数据。菲茨罗伊的办公室于1854年成为英国气象局，世界上第二古老的国家气象局(奥地利中央气象和地球动力学研究所(ZAMG)成立于1851年，是世界上最古老的气象局)。菲茨罗伊办公室的第一份每日天气预报发表于1860年在《泰晤士报》 发表。第二年，当预计有大风时，在主要港口引入了提升风暴警报筒的系统。
在接下来的50年里，许多国家建立了国家气象服务机构。印度气象局(1875年)的成立是为了跟踪热带气旋和季风。[47] 芬兰气象中心办公室(1881年)由赫尔辛基大学地磁观测台的一部分组成。[48] 日本气象厅的前身日本东京气象台于1883年开始绘制地面天气图。[49] 美国气象局(1890年)成立于美国农业部。澳大利亚气象局(1906年)是根据《气象学法案》建立的，目的是统一现有的州气象服务。[50][51]
1904年，挪威科学家威廉·皮叶克尼斯在他的论文中首次提出天气预报是力学和物理学中的一个问题，根据自然规律的计算来预测天气应该是可能的。[52][53]
直到20世纪后期，对大气物理理解的进步才引发了现代数值天气预报的建立。1922年，刘易斯·弗莱·理查森(Lewis Fry Richardson)发表了《数值过程天气预报》，[54] ，此前他在第一次世界大战中担任救护车司机时找到了注释和推导。他描述了控制大气流动的预测流体动力学方程中的小项是如何被忽略的，以及一个可以被设计成允许预测的数值计算方案。理查森设想了一个由数千人组成的大礼堂来进行计算。然而由于没有电子计算机，所需的计算量太大而无法完成，并且计算中使用的网格大小和时间步长导致了不切实际的结果。尽管后来的数值分析发现这是由于数值不稳定造成的。
从20世纪50年代开始，用计算机进行数值预报变得可行。[55] 第一次以这种方式得出的天气预报使用正压(单垂直水平)模式，能够成功地预测中纬度罗斯贝波的大规模运动，即大气低点和高点的模式。[56] 1959年，英国气象局收到了它的第一台计算机——费朗蒂墨丘利。[57]
在20世纪60年代，爱德华·洛伦兹首次观察到和从数学上描述了大气的混沌性质，从而创立了混沌理论领域。[58] 这些进展已经使得目前在大多数主要预报中心使用集合预报，以考虑到由于大气的混沌性质而产生的不确定性。[59] 用于预测地球长期天气的数学模型(气候模型)已经被开发出来，今天的分辨率和旧的天气预测模型一样粗糙。这些气候模型用于调查长期的气候变化，例如人类排放温室气体可能会造成什么影响。
每门科学都有自己独特的实验室设备。在大气层中，有许多东西或质量是可以测量的。雨水由于随时随地都可以被观察到，所以是历史上最早测量到的大气质量之一。另外，另外两个精确测量的质量是风和湿度。这两者都看不见，却能感觉到。测量这三者的装置出现于15世纪中期，分别是雨量计、风速计和湿度计。在15世纪之前，人们已经做了许多尝试来建造足够的设备来测量许多大气变量。其中不乏在某些方面有缺陷或者根本不可靠。甚至亚里士多德在他的一些著作中也指出这是测量空气的困难。
对气象学家来说，地表测量是重要的数据。它们提供了一个地点的各种天气状况的快照，通常在气象站、船或气象浮标。气象站的测量可以包括任何数量的大气观测值。通常温度、压力、风速和湿度是分别由温度计、气压计、风速计和湿度计测量的变量。[63] 专业站还可以包括空气质量传感器(一氧化碳、二氧化碳、甲烷、臭氧、灰尘和烟雾)、云高度计(云顶)、降水下降传感器， 洪水传感器、闪电传感器、麦克风(爆炸、音爆、雷声)、日射表/比重计/分光辐射计(红外/可见光/紫外光电二极管)、雨量计/雪测量仪、闪烁计数器(背景辐射、沉降物、氡)、地震仪(地震)、透射计(能见度)和用于数据记录的全球定位系统时钟。高空数据对天气预报至关重要。最广泛使用的技术是无线电探空仪的发射。作为无线电探空仪的补充，世界气象组织组织了一个飞机收集网络。
在气象学中，遥感是从远程天气事件中收集数据并随后产生天气信息的概念。遥感的常见类型有雷达、激光雷达和卫星(或摄影测量)。每一个都从一个遥远的地方收集关于大气的数据，并且通常将数据存储在仪器所在的地方。雷达和激光雷达并非被动的，因为它们都使用电磁辐射来照射大气的特定部分。[64] 气象卫星以及在不同高度环绕地球的更多通用地球观测卫星已经成为研究从森林火灾到厄尔尼诺等各种现象的不可或缺的工具。
对大气的研究可以根据时间和空间尺度分为不同的区域。气候学是这个尺度的一个极端。在几小时到几天的时间尺度上，气象学分为微观、中观和天气学。这三个比例尺的地理空间大小分别与适当的时间刻度直接相关。
其他子类用来描述这些子类中独特的、局部的或广泛的效果。
| 运动类型 | 水平尺度（米） |
|---|---|
| 分子平均自由程 | 10−7 |
| 微湍流漩涡 | 10−2 – 10−1 |
| 小漩涡 | 10−1 – 1 |
| 尘卷风 | 1–10 |
| 阵风 | 10 – 102 |
| 龙卷风 | 102 |
| 雷雨云 | 103 |
| 锋，阵风线 | 104 – 105 |
| 飓风 | 105 |
| 气旋 | 106 |
| 行星波 | 107 |
| 大气潮汐 | 107 |
| 带状气流 | 107 |
微型气象学是对 1 kilometre (0.62 miles) 以内尺度的大气现象的研究。由建筑物和其他障碍物（如单个山丘）引起的个别雷暴、云和局部湍流都是以这种比例建模的。[66]
中尺度气象学研究的水平尺度范围是从1 千米至1000千米，地球表面开始的垂直尺度范围包括大气边界层、对流层、对流层顶和平流层下部。中尺度时间尺度为从日内持续到几周。典型的感兴趣的事件是雷暴、飑线、锋面、热带和温带气旋中的降水带，以及地形上产生的天气系统，如地形波和海陆风。[67]
天气尺度气象学预测大气变化，时间尺度为1000公里以下，时间尺度为105 秒（28天）。在天气尺度上，科里奥利加速度作用在移动气团(热带以外)上，在预测中起着主导作用。天气气象学通常描述的现象包括温带气旋、斜压槽和脊、锋面区以及某种程度上的急流等事件。所有这些通常都在特定时间的天气图上给出。天气现象的最小水平尺度限于地面观测站之间的间距。[68]
全球尺度气象学是研究与热量从热带向极地传输相关的天气模式。在这个尺度上，非常大的尺度范围是很重要的，通常有几个月的时间周期，如马登-朱利安振荡；或几年，如厄尔尼诺-南方振荡和太平洋十年振荡。全球范围的气象学推进了气候学的研究范围。气候的传统定义被推进到更大的时间尺度，随着对更长时间尺度全球振荡的理解，它们对气候和天气扰动的影响可以包括在天气和中尺度时间尺度预测中。
数值天气预报是理解海气相互作用、热带气象学、大气可预测性和对流层/平流层过程的主要焦点。[69] 加利福尼亚州蒙特里的海军研究实验室开发了一种全球大气模型，称为海军全球大气预报业务系统(NOGAPS)。NOGAPS在美国军方舰队数值气象和海洋学中心运行。许多其他全球大气模型由国家气象机构运行。
边界层气象学是对地球表面正上方空气层过程的研究，称为大气边界层(ABL)。表面加热、冷却和摩擦的效果 在空气层内引起湍流混合。不到一天的时间尺度上的热量、物质或动量的显著移动是由湍流运动引起的。[70]边界层气象学包括研究所有类型的地表-大气边界，包括海洋、湖泊、城市土地和非城市土地，用于气象学研究。
动态气象学通常侧重于大气的流体动力学。空气包的概念被用来定义大气的最小元素，而忽略了大气的离散分子和化学性质。空气包被定义为大气流体连续体中的一个点。流体动力学、热力学和运动的基本定律被用来研究大气。表征大气状态的物理量有温度、密度、压力等。这些变量在连续体中有独特的值。[70]
天气预报是应用科学技术预测未来某个时间和特定地点的大气状态。人类试图非正式地预测天气已经有几千年了，最早从19世纪开始正式地预测天气。[71][72] 天气预报是通过收集关于大气现状的定量数据，并利用对大气过程的科学理解来预测大气将如何演变而做出的。[73]
对于天气预测，曾经全人工的努力主要基于气压、当前天气状况和天空状况的变化，[74][75] 如今预测模型被用来确定未来的情况。仍然需要人工输入来选择最大概率的预测模型作为预测的基础，这包括模式识别技能、远程连接、模型性能知识和模型偏差知识。大气的混沌性质、求解描述大气的方程所需的巨大计算能力、测量初始条件所涉及的误差以及对大气过程的不完全理解意味着，随着当前时间和正在进行预测的时间的范围 (指预测)增加，预测变得越来越不太准确 。集合和模型共识的使用有助于缩小误差并选择最可能的结果。[76][77][78]
天气预报有多种最终用途。天气警报是重要的预报，因为被用来保护生命和财产。[79] 基于温度和降水的预测对农业很重要，[80][81][82][83] 因此也适用于股票市场中的商品交易者。公用事业公司使用温度预测来估计未来几天的需求。[84][85][86] 人们每天都用天气预报来决定穿什么。由于室外活动受到大雨、大雪和风寒的严重影响，天气预报可以用来计划这些活动，提前做好计划并度过难关。
航空气象学研究天气对空中交通管理的影响。正如《航空信息手册》所指出的，机组人员理解天气对他们的飞行计划和飞机的影响是很重要的:[87]
冰对飞机的影响是累积性的—推力减小，阻力增加，升力减小，重量增加。结果是加快失速和恶化飞机性能。在极端情况下，机翼前端可以在5分钟内形成2-3英寸厚的冰。然而只需要半英寸厚的冰就可以让某些机型的升力减少50%，摩擦阻力增加50%。[88]
气象学家、土壤科学家、农业水文学家和农学家关注天气和气候对植物分布、作物产量、水利用效率、动植物生长物候以及管理和自然生态系统能量平衡的影响。反过来，他们也对植被对气候和天气的作用感兴趣。[89]
水文气象学是气象学的一个分支，研究水文循环、水量平衡和风暴的降雨量统计。[90] 水文气象学家准备并发布累积（定量）降水、暴雨、大雪的预报，并重点关注有可能发生山洪的地区。通常，所需的知识范围与气候学、中尺度和天气学以及其他地球科学重叠。[91]
该分支的多学科性质可能会带来技术挑战，因为所涉及的每个学科的工具和解决方案的行为可能略有不同，针对不同的硬件和软件平台进行优化，并使用不同的数据格式。有一些创新方案——例如DRIHM项目[92] 试图解决这个问题。[93]
核气象学研究大气中放射性气溶胶和气体的分布。[94]
海洋气象学研究海上作业船只的大气和波浪预报。海洋预报中心、檀香山国家气象局预报办公室、英国气象局和JMA（日本气象厅）等组织为世界海洋做公海预报。
军事气象学是为军事目的研究和应用气象学。在美国，美国海军指挥官、海军气象和海洋学司令部负责监督海军和海军陆战队的气象工作，而美国空军气象局负责空军和陆军。
环境气象学主要根据温度、湿度、风和各种天气条件等气象参数，对工业污染扩散进行物理和化学分析。
气象学在可再生能源中的应用包括基础研究，“勘探”，以及风能和太阳能的潜力绘图。
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