気象観測
地表の大気と高層の大気は性質が異なり、地上の天候の変化に先立って高層の気象が変化する場合があることから、古くから「夕焼けで翌日は晴天」や「朝焼けは天気が下り坂」などの天気俚諺としても知られる観天望気が行われた。
高層観測が始まったのは18世紀に入ってからで、1749年にアレキサンダー・ウィルソンが凧に温度計を付けて飛ばし凧観測を行なったことが知られている。また、1783年にモンゴルフィエ兄弟やジャック・シャルルが気球の有人飛行に成功して以降は、気球に観測機器と人を乗せて高層の大気観測が行なわれた。
本格的な高層観測が始まるのは1880年代に入ってからで、1883年にダグラス・アーキボルドが凧による高層風観測を始めたが、高度3000m以上の観測ができないため、じきにすたれた。また1892年にエルミート(Gustave Hermite)が探測気球(Sounding balloon)として無人の気球に気温・湿度・気圧などを観測する装置を付けて飛ばし、成層圏の存在を発見するなどの成果を上げたが、観測装置の回収の手間と時間が掛かり観測結果が天気予報の資料に使えないことから、1902年にビュローなどにより気温・湿度・気圧の観測結果を即時に無線で発信するラジオゾンデが登場した(なおラジオゾンデの項目にも19世紀からの気球による高層気象観測の歴史が述べられている)。
湿度 - 一般的な相対湿度の観測においては、センサや物体の伸縮を利用した湿度計のほか、乾球温度と湿球温度を乾湿計で測定して算出する方法などがある。露点温度を測る露点計もある。
蒸発量 - 水を張った容器に受け皿をかぶせて測定する蒸発計が用いられる(パン蒸発方式(英語))。
気圧 - 真空を利用した構造やセンサの気圧計で測定する。
日射量 - センサの日射計で測定する。直射日光だけを測定する直達日射計と、空全体からの日光を測定する全天日射計がある。
日照時間 - 直達日射計と同じ構造を持つセンサの日照計で直達日射120W/m以上の時間を測定する。
視程 - 予め距離が分かっている目標物を見て推定する目視のほか、レーザーの散乱・反射を利用した視程計(透過率計)がある。
雲 - 雲量、雲形、雲底高度、雲の進行方向、雲の変化などの要素があるが、目視による部分が大きい。雲高計、雲量計、測雲器を用いることもある。また、雲の赤外線吸収特性を利用した気象衛星による観測は広大な範囲を観測でき、水蒸気やエアロゾルなど他の大気成分の観測を行うものもある。
天気 - 目視による部分が大きい。レーザーを利用して降水強度測定、雨雪判別、視程測定などを行い総合的に天気を判別する現在天気計を用いることもある。
以下は気象観測の一環として行う場合もあるが、海洋観測の部類に入る。
海水温 - ガラス管やセンサの温度計を用いて測定する。
海面(潮位・波浪) - フロート、水圧センサ、音波測距を利用した験潮儀や波浪計などで測定する。
地上気象観測は、気象観測といえばこれを指すほど主流の観測手法である。観測の歴史が古い所も多いので、統計上信頼性のあるデータが得られる所が多いが、古い設備の科学的精度が低いという問題もある。観測場所の数は他の3つに比べて圧倒的に多い。機器設備の設置や管理が容易である。
気温や気圧などの簡単な観測は、関連する科学的知識があり、多少の誤差を我慢すれば、身近なものから機器を作って誰でも手軽に行える。学校教育、特に理科(科学)教育でも広く行われている。アメリカでは、CWOPという市民参加型の気象観測網も存在する。
観測対象となるのは、具体的には気象要素と呼ばれるものである。天気、気温、気圧、湿度、視程、風、降水、日射など多岐にわたり、細かく分けると数十の要素がある。天気などは人の目による目視で行われる一方、気温などの物理量は機器を使って精度を保っている。人員と設備さえあれば、ほとんどの観測は地上で行える。
有人観測だけだったが、20世紀中盤以降、無人観測が普及して観測点も急増した。高山での気象観測が19世紀から行われてきた。