天気予報
概要
日常生活や業務に対して天気が与える影響は非常に大きく、19世紀に近代気象学が生まれると同時に科学的な天気予報の試みが行われてきた。現代における天気予報は、気象のメカニズムを解明する気象学の発達と並んで、多種多様で世界的な気象観測網の構築、コンピューターの発展に支えられた数値予報インフラの整備、そして情報を一般に広く伝えるメディアなどによって支えられ、運用されている。地球の大気の挙動はカオスそのものであるため、初期値鋭敏性が高く、大気シミュレーションの計算誤差が反復計算により指数関数的に増大するため、長期間の予測は理論上極めて難しい。しかし、予測の初期値を得る大気計測やコンピュータで扱えるモデルの高精度化により、継続的に予報精度の改善は達成されている。
観測・情報収集・研究に関しては、研究機関や大学、防災担当の国家機関、世界各国の気象機関、世界気象機関（WMO）や国際民間航空機関（ICAO）・国際海事機関（IMO）等が担う部分も大きく、連携して行われている。世界各国においても、同様に法的な規定をもって責任機関を定め、気象に関する業務を担当させている。観測や情報収集には国際協力が不可欠であり、ノウハウの少ない途上国に対しての予報支援などの協力も行われている。
数値予報が台頭してくるまで、天気予報は観測記録をもとにした過去のノウハウや経験則の蓄積に頼る部分が大きく、予報官の経験に左右されるところが大きかった。数値予報の登場によって解析業務の負担が軽減されるとともに、精度が向上して予報の幅も広がってきている。近年は、予報業務の自由化（民間開放）も進められている。また、観測の自動化・無人化も急速に進んでいる。なお、日本では気象予報業務の国家資格として気象予報士があり、予報業務を行うに当たってこれを取得するのが一般的である。
近年の天気予報は、ゲリラ豪雨や激化する猛暑などに代表される気象災害の増加・変化やニーズの変化への対応、ENSOやAO等の最新知見を取り入れた予報精度の向上などが大きなテーマとされている。そのため、そういった豪雨などの異常気象、ENSOやAOなどの気候パターン、地球温暖化などの気候変動の解明が求められているほか、気象機関は市民に対して天気や気候変動に関する説明・解説を行う一定の責任も負っている。
天気（気象）予報のニーズは様々であり、テレビや新聞・インターネットなどで広く伝えられる一般向けの予報のほか、海況に特化した船舶関係者向けの予報、高層気象に特化した航空関係者向けの予報など、あまり知られていないが多くの種類の予報がある。また、軍では独自の予報を行っている国・地域が多く、日本の自衛隊も独自の組織として中央管制気象隊や航空気象群を置いている。世界的に珍しいが、イタリアでは気象局自体が空軍の管轄である。
また、メディアを通して定期的に伝えられる天気予報とは異なり、臨時に伝えられるものとして「警報」がある。警報は気象による災害の危険性が高いと予測される時に警戒を呼び掛けるために発表されるものである。もっぱら国内向けであるため国・地域によって特色があり、種類や危険度区分は異なる。国際性が高い航空気象では、警報などが定められていない代わりに、統一された形式の気象通報式を対象航空機に臨時に送出することで警告を発する。ほとんどの国では、一般市民に向けた警報は、情報が錯綜して混乱に陥ることを防ぐために国家気象機関のみが発表できるよう制限している。一方、一般的な気象予報に関しては民間企業も行えるよう開放している国がある。
古代
天気は多くの人々の生計と生活に大きな影響を与えるものであり、古代においてもこのことは今にもまして重要なことであった。およそ数千年の間、人々は一日が、もしくは一つの季節がどのような天気になるか予想しようとしてきた。紀元前650年に、バビロニア人は雲のパターンから天気を予測し、紀元前およそ340年には、アリストテレスが気象学に基づいた天候のパターンを描き出した。中国大陸の民族も少なくとも紀元前300年までに天気を予測していた。
通常、古代の天気予報の方法は、天候のパターンを見つけることに依存していたために全ては経験に頼ったものであった。例えば、日没時に空が際立って赤かったならば、翌日は快晴が予想される、などといった具合にである。この経験は、世代を越えて天気に関する知恵（たとえば諺など、観天望気）を蓄積することとなった。しかしながら、これらの予測全てが信頼できるものだと証明されるとは限らず、また、それら経験に頼った天気予報は後の研究により厳格な統計学的分析に依拠しないものもあるということが判明してきている。
特に漁業者はその業務上、天気予報が必要で、荒れた海に出ると人命を落としたり業務に支障が出る。そのため、毎日ほぼ必ず天気予報をよく見ている。各地に残る日和山（ひよりやま）等の地名は、そこから天気の具合を観察したことによる。
近現代
1837年の電報の発明まで、近代的な天気予報の時代は到来しなかった。この発明までは蒸気機関車より少しでも早いリアルタイムの大気の状態についての情報は伝えることができなかったからである。しかし電報の発明は、ほぼ瞬時に広範囲から気象の状態に関する情報を収集することが可能となった。このことにより、はるか風上の天気の情報を元にした天気予報が可能となった。
1854年に設立されたイギリス気象庁は世界で最も早期に設立された気象機関の1つで、1870年代に天気図の作成を開始、1879年には新聞に対して情報提供を開始するなど先進的な試みを行っている。気象学の発達した欧米各国は、1873年に国際気象機関（IMO、後の世界気象機関）を設立して国際協力を推進した。一方で、軍事機密を伴う部分もあるため、予報のノウハウは各国が独自に培っていった部分が大きい。
科学的な天気予報の誕生に功績があったと最も信じられている人物は、フランシス・ボーフォート（ボーフォート風力階級で知られる）と彼の部下ロバート・フィッツロイ（the Fitzroy Barometerの開発者）である。2人はBritish Naval and Governmental circlesで影響力をもった人物で、当時新聞で嘲られていたが、彼らの仕事は、科学的信頼を獲得し、英国艦隊によって受け入れられ、今日の天気予報知識の全ての基礎を形成した。
20世紀の間に、大気変化の研究を取り入れた気象学は大きく進歩した。数値予報の考え方は1922年にルイス・フライ・リチャードソンによって提示された。しかしながら、天気予報を成り立たせるために必要な膨大な計算をこなすコンピュータはその当時存在しなかった。1970年に初めて、数値予報により世界中の天気予報業務を行うことが可能となった。
現代の天気予報と天気予報がもつ困難性
天気予報は数千年に渡る歴史を持つが、使われる技術はその時点から大きな変容を遂げている。今日、天気予報は未来の大気の状態がどのように進展するかを見極めるため、大気の状態（特に温度、湿度、および風）に関するデータをできるだけ多く集め、かつ気象学を通した大気変化への理論を適用することで予報を成り立たせている。また現代の天気予報は、大気の状態を数値モデル化し、計算機で演算を行い（これを数値予報という）、これに予報者の経験もそこに加味して予想を行っている。
しかしながら、自然の大気の変化は複雑であり気象変化を完全に理解・表現することは非常に困難であるため、天気予報はその予想量が増加するのに応じて、予測が不正確になってしまう。
天気予報は大気の変動を予測することであり、究極的には流体の運動の予測である。これは非常に困難であり、少なくとも厳密に長期にわたる予想は不可能である。気象モデルの研究からエドワード・ローレンツはそれが初期状態のごく小さな違いによって大きな結果の差を生むことを発見し、これを追求することでローレンツ方程式を提唱、これがカオス理論の起源の一つとなった。有名なバタフライ効果が天候に関する論述となっているのもそのためである。
情報の融合
天気予報には、情報の迅速な伝達と収集が重要である。気象庁では、COSMETSで情報の統合整理を行っている。国際データ、ブイやラジオゾンデ、気象台の観測データはADESS経由で、気象情報のデータは気象衛星センターのサーバ経由で、アメダスのデータは地域気象観測センター経由で、COSMETSに送信される。国際的には、全球通信システム（GTS）と呼ばれる世界規模の通信網を通して各国の気象機関の間で情報をやり取りしている。また途上国向けに、全球データ処理・予測システム（GDPFS）のもとで、各地域の主要気象機関がガイダンス資料（後述）までの作成も行い、提供している。
数値予報
理論式で構成された数値予報モデルに観測値を入力する（データ同化）。観測値は観測点の偏りが原因でデータの分布はまばらであるため、推定（客観解析）を行ってデータを補正する。このデータを一次データとして、ガイダンスを作成する。
気象庁では、COSMETSの中の演算部分であるNAPSで数値予報の演算を行い、予報結果を気象庁本庁のほか、各地の気象台などへと送信する。演算には高性能のスーパーコンピュータの利用が不可欠であり、その性能が予報精度や速度を左右する。
気象変化の型をたたきだす
数値予報モデルの演算結果はあくまで格子点形式で物理量を出力するのみであるため、これを予報に利用しやすい形に変換する必要がある。例えば、気圧配置データをもとに天気図を作成したり、湿度・気温・気圧のデータから雲量を割り出し更にそれから天気分布を割り出すなどの「翻訳作業」を行う。こうして作成した気象のパターン資料を天気予報ガイダンスという。ふつう、いくつかのパターンのガイダンス資料を出力しておき、それらの中から検討を行い、最適化や補正を行って、1つの値あるいは数値幅を決めたり、予報文の検討や警報の判断を行う。
一般利用者に対する予測の提供
導き出された情報を予報の種類に合わせてまとめ、適切な形式で発表する。予報期間が長いほど精度が下がるため、天気・気温・降水確率などの一般的な天気予報は1週間後までしか行われていない。また、雨や雷、突風や集中豪雨などの局地現象の様子を提供するレーダー画像やナウキャスト、地図上で台風の進路を示す台風情報など、天気予報の形式はさまざまである。
また、航空管制・鉄道・バス・船舶などは、その分野に適した専門的情報を提供する必要がある。例えば、航空管制における飛行場予報、航空路の乱気流・着氷・火山灰の予測、船舶における波浪・海流・海水温の予測などが挙げられる。
放送
英国放送協会（BBC）では創立時から天気予報を放送していたが、日々の天気予報を放送するようになったのは1923年3月からである。BBCは1922年11月14日からイギリス気象庁の天気予報の提供を受けていたが、2015年に打ち切りが報じられた。
電光掲示板等
ロンドンのピカデリーサーカスの電光掲示板では2017年の改修後から天気予報も表示されることとなった。
日本における天気予報
日本の気象業務法は、気象に関する観測・情報収集から発表まで、および研究、それらに付帯する業務を「気象業務」と定めており、気象庁が中心となって執り行っている。
警報・注意報など
警報は、重大な災害の起こるおそれのある旨を警告して行う予報である。
警報が発表された場合は、NHK総合テレビジョンでは画面上にテロップで表示される。天気予報の番組中では赤字で表示される。NHKラジオ第1放送（FM放送は「ラジオ深夜便」放送時のみ。但し放送しない場合あり）では、放送中の番組内に割り込んで「番組（曲）の途中ですが気象関連のお知らせです。先ほど○時□分、△△地方に大雨洪水警報が発表されました」などとして警報が発表されたことが報じられる。
警報に準じて災害が起こるおそれがある場合に、あるいは社会・経済活動に広範囲な支障を及ぼす現象について注意喚起のために発表する予報を注意報という。
警報・注意報およびこれに関する情報には、気象庁が単独で発表するもののほか、個別の河川に対して河川管理者と共同で発表する共同洪水予報や、大雨警報を補足してがけ崩れなどへの警戒を呼びかけるために都道府県と共同で発表する土砂災害警戒情報もある。
予報業務許可事業者
現在では、気象庁だけではなく、気象業務法第17条に基づき気象庁長官の許可を受けた官民の予報業務許可事業者も独自の予報を提供している。なお、許可事業者が予報業務を行う場合は、事業所ごとに気象予報士を置かなければならない。
現在の予報業務許可事業者のリストは 気象庁の公式一覧 を参照されたい。ここには、気象予報を行っている民間企業以外に、日立市・八王子市・羽曳野市といった地方自治体、数名の個人事業者（気象予報士）が含まれる。
許可事業者が行う天気予報の業務は、気象庁と重複する部分もあるが、様々な独自業務もある。代表されるものとしては桜前線があり、許可事業者3社が発表を行うようになったこと、またコア分野ではなく応用分野であったことから、大元の気象庁の方が2010年より発表を取りやめることになった経緯がある。なお、警報や注意報に関しては重要性が高く混乱を防ぐため、気象庁だけが行うこととなっている。
許可事業者が利用する一次資料にあたる、観測データや数値予報の根拠データ等は気象業務支援センターからも提供されており、どの事業者でも利用可能となっている。しかし、数値予報自体は自社設備で独自に行っているところもある。予報資料（ガイダンス）の中心部分は各社独自のものであり、これに基づいて各事業者が予報を発表している。
新聞
ほとんどの新聞では、天気欄に予報を記載している。
インターネット
インターネットでは気象機関や許可事業者のサイトで一次情報が得られる。ポータルサイトやマスコミなどメディア系サイトでは一次情報元と契約を結び天気のページを設けて提供しているほか、一部の一般サイトで天気情報を表示するツールを組み込んだものが見受けられる。また、デスクトップ上で使用するウィジェット（ガジェット）やアプリケーションソフトウェアの中にも天気情報を表示するものがある。インターネット放送においても、天気専門のチャンネルがある。
インターネットではAccuWeatherなど許可事業者ではない海外企業も日本の天気予報を発表している。
電子メール
一部の許可事業者、ポータルサイト、自治体などでは、事前登録者に対して警報発表時に電子メールを一斉送信するサービスを提供している。
電光掲示板等
都市部を中心に予報を流す電光掲示板や車内案内ディスプレイが街頭の目立つ所に設置されている。文字・マーク式のものもあるが、近年は液晶ディスプレイ（LCD）方式が増加している。また、電車や航空機の中など、公共交通機関ではLCDで一次情報元から提供を受けた天気情報を流すところがある。