对于大气光现象的观测，是我国古代光学最有成就的领域之一。早在甲骨文中就有关于虹、霓、晕等天象记载，至周代，就有了任务明确、组织严密的官方观测机构，积累了“十”等大量天象资料，其中不乏有价值的光学史资料。下面介绍虹、海市蜃楼、视差与蒙气差等。
虹
我国在殷代甲骨文里就有了虹的记载，当时把虹字形象地写成“”，在周代的上半期，即公元前1066至前403年间，我国劳动人民已经有了这样一条经验：早晨太阳升起时，如西方出现了彩虹，天就要下雨了。《诗经》就记载说：“朝于西，崇朝其雨。”战国时期的《楚辞》里，记载虹的颜色为“五色”。东汉蔡邕在《月令章句》一书中，也说到虹的生成条件及其位置规律。他说：虹是生成于和太阳相对方向的云气之中，没有云就不会见到虹，但阴沉天气也不会形成虹。这些说法，尽管是十分表面的，但基本上是正确的。先秦时代，还有人企图以当时的阴阳哲学理论去解释虹的生成。《庄子》里说：“阳炙阴为虹。”我们知道，虹的生成条件是阳光和水滴群。在阴阳理论里，太阳属阳，水属阴，把阳光照射水滴，说作是“阳炙阴”，是能够自圆其说的。当然，这并没有说到色散的本质上来。不过也可以看到，古人对待科学问题具有独特的思想方法。
到了唐代，人们对于虹的认识就大大前进了一步。当时已经知道虹是太阳光照射雨滴而生成的。孔颖达（574～648）写的《礼记注疏》中，在《月令》“虹始见”条下就记载说：“若云薄漏日，日照雨滴则虹生。”这里已粗略地揭示出虹的成因。当然，跟现代严密而完整的解释相比，尚有较大的距离。但在1300多年前就能提出这样的解释，实在是足以自豪的。在欧洲，英国科学家培根（1214～1294）最先发现虹是由太阳照射雨滴反射而成的，比起我国来迟了600多年。至于比较严密的解释，直到17世纪才提出来。
还应特别提到的是，我们祖先非但最早对虹的成因作出了解释，而且创造过一个“人造虹”的实验。我们知道，当山间瀑布下泄，水珠四溅，日光照射，即成七彩，犹似虹霓之状，这是人们所容易发现的。唐初诗人张九龄的《湖口望庐山瀑布》诗中就有“日照虹霓似”之句。在这种现象启发之下，使人们想到能不能人为地造成虹霓之状呢？唐代张志和写的《玄真子》（公元772年前成书）一书中就记载说：“背日喷乎水成虹霓之状。”意思是说，背着太阳向空中喷水，就可以看到虹霓现象。这个实验确实是很有意义的。这是人们有意识进行的一次白光色散实验，它直接摹拟了虹霓现象，不但可以验证关于虹的成因的解释，而且给了历史上关于虹的种种迷信邪说以毁灭性打击。唐以后，不断有人做这个实验。比如宋代蔡卞，他在《毛诗名物解》里记载说：“以水喷日，自侧视之，则晕为虹霓。”这里的“自侧视之”，确实指出了观察要领，是很正确的。
除了虹霓以外，还有许多色散现象，在唐宋前后不断被发现并记载下来。这不但丰富了人们对色散的认识，而且有助于对虹霓成因的解释。首先，人们深入观察了单独一个水滴的色散现象。南宋时代程大昌在《演繁露》一书中记载着一个很有趣的现象。他说：“凡雨初霁，或露之未晞，其余点缀于草木枝叶之末，欲坠不坠，则皆聚为圆点，光莹可喜，日光入之，五色具足，闪烁不定，是乃日之光品著色于水，而非雨露有此五色也。”就是说，当雨过天晴或露水未干的时候，沾于树枝草木之端的水滴，由于表面张力的作用，总是结为亮晶晶的圆珠之状。仔细观察其中一个小水珠，在日光照射之下，可以显出五颜六色，这就是白光经过水珠折射反射之后的色散现象。程大昌能够仔细地深入观察这种现象，是很难得的。更重要的是，他从中得出的结论是很科学的。他说这种颜色，不是水珠本身所有，而是“日之光品著色于水”。这就指出了太阳光之中包含有数种色光，经过水珠的作用可以显出五色来。这可以说接触到了色散的本质问题。应当指出，搞清楚单个水滴的色散现象，为解释水滴群映日成虹现象提供了更扎实的基础，其意义显然是很大的。
另一方面，我国从南北朝时代开始，就发现了某些结晶体的色散现象。那时的著作《金楼子》里记载着一种叫君王盐或玉华盐的透明自然晶体，“及其映日，光似琥珀”。“琥珀”颜色呈红、黄、褐诸色，就是说白光通过晶体折射后呈现出几种色光来。这是关于晶体色散的最早记录。后来记载这种现象的就更多了，什么“菩萨石”、“放光石”之类，都能够看到“日中照出五色光”的现象；有的还直接写作“日照之，成五色，如虹霓”。但在北宋以前对这种现象不大了解，所以有一些不切实际的说法，例如北宋的杨亿，一方面正确地记录了峨嵋山“菩萨石”的“日射之，有五色”的现象；另一方面却又认为那是因为峨嵋山有“佛光”的关系，这当然是不对的。南宋的程大昌批判了这个错误。他根据“此之五色，无日不能自见”的事实，指出这并“非因峨嵋有佛所致也”。依他的看法，菩萨石的作用与小水珠的作用是一码事，同是“日之光品著色”的结果。这才是正确的解释。
从上面简单的介绍可以看到，我国古代对于虹的色散本质有相当深刻的认识，对于色散的现象有很多发现。明代科学家方以智在《物理小识》里，对这许多知识作了总结性记载。他说：“凡宝石面凸则光成一条，有数棱者，则必一面五色。如峨嵋放光石，六面也；水晶压纸，三面也，烧料三面水晶亦五色；峡日射飞泉成五色；人于回墙间向日喷水，亦成五色。故知虹霓之彩，星月之晕，五色之云，皆同此理。”他不但全面罗列了各种各样的色散现象，包括自然晶体的色散（峨嵋放光石），人造透明体的色散（水晶压纸和烧料水晶），水滴群的色散（峡日射飞泉与向日喷水）；更重要的是能够指出虹霓现象和日月晕、云彩等现象是相同的道理，都是白光的色散。
明代中期以后，我国对于色散的研究，又是一番情况。西方近代科学家渐渐输入，比如意大利传教士利玛窦（1552～1510年）来华，就带有三棱镜，并作过色散表演。后来我国一些学者努力翻译外国自然科学著作，其中也有色散方面的知识。但那些介绍往往不很正确，甚至清代科学家郑复光著的《镜镜詅痴》，其中对色散的论述也是不大明白的。我国最早正确介绍近代色散知识的是张福僖（？～1862）翻译的《光论》（1853年）。这本书对于棱镜的分光、折光、光的合成和色盘等均有所阐述，并以白光在水滴中的折射、反射发生色散的道理，去解释虹的成因，书中又以虹为实例来证明白光可分为七色。这样，使得人们的色散知识更加完整了。
海市蜃楼
海市蜃楼，亦称“蜃景”，是光线经过上下差异很大的空气层，发生显著折射与全反射时，把远处景物显示在空中或地面的奇异幻景，它常发生在海边与沙漠。我国古代对于海边的蜃景记载较多也较早，在汉晋的书上，把它说成是蛟龙吐气（即所谓“蜃气”）的结果。北宋苏轼指出，海市蜃楼都只是一种幻景。沈括也对山东登州经常出现的海市蜃楼作出忠实的记录：“登州海市，时有云气，如宫室、台观、城堞、人物、车马、冠盖，历历可见，谓之‘海市’。或曰‘蛟蜃之气所为’，疑不然也。”但也不曾解释成因。陈霆在《两山漫谈》（1539）中探讨了这个问题，他说：“城廓人马之状，疑塘水浩漫时，为阳焰与地气蒸郁，偶尔变幻。”这个见解是很有价值的。在这些基础上，清代学者揭暄、游艺用“气映”来说明蜃景的原理。揭暄注《物理小识》说：“气映而物见，雾气白涌，即水气上升也。水能照物，故其气清明上升者，亦能照物。”他们在《天经或问后集》中还说：“水在涯涘，倒照人物如镜，水气上升，悬照人物亦如镜。或以为山市海市蜃气，而不知为湿气遥映也。”这些说法有一个总的观点：水面既能反射成像，上升的气的界面也可以像镜子那样反射成像，以此说明蜃景的生成，是明确的。
视差与蒙气差
著名的“小儿辩日”故事，涉及到了深奥的光学理论问题。《列子·汤问》篇记载说：“孔子东游，见两小儿辩斗。问其故，一儿曰：‘我以日始出时去人近，而日中时远也。’一儿以日初出远，而日中时近也。一儿曰：‘日初出大如车盖，及日中，裁如盘盂。此不为远者小而近者大乎？’一儿曰：‘日初出则沧沧凉凉，及其中时热如探汤。此不为近者热而远者凉乎？’孔子不能决也。两小儿曰：‘孰为汝多知乎？”’《列子》相传为战国列御寇所作，可能是汉晋时期的伪书，不过此书多取材于周秦时代的事实，所以我们可以相信这个故事发生在2000多年之前。“两小儿”提出了一个复杂的光学问题，它涉及光的折射、吸收、消光、视差以及一些生理上、心理上的问题，不用说在古代，就是在今天，也还是一个相当艰深的问题。
据现代的研究，单就大气折光效果来说，晨昏太阳的视像不但不比中午的大，反而来得小。肉眼之所以有相反的感觉，主要是光感的错觉。现代有关方面的研究表明，这里大致有三个因素：①比衬原因：中午太阳孤悬太空，周围广阔无垠，遂觉其小，晨昏太阳接近地平，有景物陪衬作比，遂觉其大。②亮度原因：中午太阳亮度和周围悬殊，遂觉其小；晨昏太阳亮度与周围接近，遂觉其大。③生理原因：经验指出，中午太阳在天中，须仰首斜望，可觉其较小；晨昏太阳近地平，可以正看平视，就觉得其较大。
对于“小儿辩日”问题，从西汉开始就有人进行研究，例如天文学家关子阳、王充、张衡等人都发表过意见，其中说得最全面的大概算是晋代的束晳。他说：“……旁方与上方等。旁视则天体存于侧，故日出时视日大也。日无大小，而所存者有伸厌。厌而形小，伸而体大，盖其理也。又日始出时色白者。虽大不堪；始出时色赤者，其大则甚；此终以人目之惑，无远近也。且夫置器广庭，则函中之鼎如釜，堂崇十仞，则八尺之人犹短，物有陵之，非形异也。夫物有惑心，形有乱目，诚非断疑定理之主。”这里所谓“所存者有伸厌”就是指“生理原因”，“色白者，虽大不甚”，“色赤者，其大则甚”是指“亮度原因”，“物有陵之，非形异也”是指“比衬原因”。差不多把三个原因全部说明了。并且很明确提出视距离的变化与视象变化都是由于“人目之惑”，“物有惑心”与“形有乱目”。所以用肉眼观察“非断疑定理之主”。应当说，这不但已经相当圆满地解决了“小儿辩日”的问题，而且在大气光学中有一定的普遍意义，可以说是我国古代光学上的一项成就。
对于这个问题，后来也还有不少议论，其中后秦的姜岌又有新的创见，他用“地有游气以厌日光”去解释晨昏的太阳色红，中午的太阳色白。这实质上是一种大气吸收与消光现象。后来还有人提出“浊氛”、“烟气”、“尘氛”等词，都是指空气中悬浮着的水气、尘埃等微粒所构成的一种雾蒙，认为这些是太阳颜色变红的原因。
此外，我国古代对于“峨嵋宝光”、“北极光”等奇妙的光学现象都有不少珍贵的记载。