大气探测又称气象观测，是对地球大气圈及其密切相关的水圈、冰雪圈、岩石圈（陆面）、生物圈等的物理、化学、生物特征及其变化过程进行系统的、连续的观察和测定，并对获得的记录进行整理的过程。气象观测是气象科学的重要分支，它将基础理论与现代科学技术相结合，形成多学科交叉融合的独立学科，处于大气科学发展的前沿。气象观测信息和数据是开展天气预警预报、气候预测预估及气象服务、科学研究的基础，是推动气象科学发展的源动力。发展一体化的气象综合观测业务是气象事业发展的关键。大气探测主要包括地面观测、高空探测、特种观测和遥感探测等。
天气是指一定区域短时段内大气的冷暖、阴晴、风雨、干湿等状态及其变化的总称。天气预报就是根据已知的大气状态，运用包括经验、技术、方法或理论等一定的知识，对某一区域未来的天气做出分析和预测。截止到目前，天气预报技术的发展大致经历了群众经验、天气图方法、数值天气预报和人机交互处理技术等四个阶段。
8.1探测云天
长期以来，人们为了探测大气的变化规律，一直进行着不懈的努力。在大气科学萌芽时期，人们主要依靠眼睛观察天气现象的变化，凭感官感知冷暖干湿的差异。随着科学技术的发展，16～17世纪，人类相继发明了温度计、气压计、湿度计、雨量器、风杯风速计等，并投入实际应用，使大气探测进入到定量阶段。20世纪20年代，由于无线电探空仪的出现和高空风探测技术的发展，使大气探测由地面扩展到三维空间，40年代以后，探空气球的探测高度已达到20～30千米，应用火箭探测更把探测高度提高到100千米左右。地面和探空气象观测站网的建立，连续观测资料的取得，在推动近代天气学的建立和发展、提高天气预报准确性方面有着十分重要的意义。
20世纪40年代初，出现了专门的云雨测量气象雷达。1960年4月，美国发射了第一颗极轨气象卫星。之后，各种类型的遥感设备相继研制和试验成功，如激光雷达、风廓线仪、微波辐射仪等。这些现代遥感仪器的应用和美国、苏联、中国、日本等国陆续发射的一系列气象探测卫星，大大提高了现代大气探测的水平。特别是近一二十年中，随着多普勒天气雷达和气象卫星技术的快速发展，随着大气观测自动气象站网的建立和改进，精度和效率更高的遥感仪器和设备的应用，更使大气探测的面貌焕然一新。目前大气探测主要包括地面观测、高空探测、特种观测和遥感探测等。
准确的天气预报依托于一系列气象观测资料，如果没有详细的观测资料，就不可能进行精确的天气预报。由于气象观测业务对社会经济的巨大影响和自身的重要科学价值，世界气象组织十分重视全球气象观测系统建设，现已建成了世界天气监视网。为进一步提高对全球气候变化的监测、预测能力，国际气象组织正在推动建立全球气候观测系统。
观测资料与气象要素真值存在不确定的误差。一是仪器误差，再精密的仪器都会有误差，测出的数值不会精确地等于真值；二是人为误差，仪器是由人来操作和观测的，观测人员不是一个人，每个人都会存在不一样的人为误差，即使同一个人，所测得的数据也不会精确地等于真值；三是环境造成的误差，尤其是目前城市建设发展迅速，气象观测环境往往得不到合法的保护，环境遭到破坏，或者频繁变更气象观测场地，这些都会引起观测数据的改变和失真，且误差也不再连续，所得到的观测数据也就更不准确。初始的气象观测资料错之毫厘，得出的天气预报和气候预测结果会差之千里。所以，气象仪器的精度、观测人员的业务技能、观测环境的保护等，对于做出准确的天气预报和气候预测，对于气象专业服务就显得十分重要。
8.1.1地面观测
16～17世纪，随着工业化革命和科学技术的发展，欧洲的一些科学家相继发明了一系列用以测量地面气象要素的仪器并投入实际应用，如温度计、气压计、湿度计、雨量器、风杯风速计等。1653年，意大利斐迪南二世首次创建了欧洲地面气象观测网，从而使大气探测开始进入到定量器测的阶段。
地面观测
地面气象观测主要是对近地层范围内的气象要素进行观察和测定，主要观测的项目有气温（离地1.5米高处，百叶箱内的气温）、湿度、气压、风（包括风向风速）、云、天气现象、能见度、地温、降水、蒸发量、日照时数、太阳辐射等。
地面气象观测主要是在按照一定标准建设好的观测场内进行，观测场的四周必须是空旷的，不得有大的、高的建筑物或障碍物，观测场内应遍植草皮，以免造成局地的小环流，以上这些都有相应的技术规范作为依据。观测场的环境受《中华人民共和国气象法》和国务院《气象设施和气象探测环境保护条例》的保护，破坏气象观测场及观测场环境属违法行为。观测场中必要的设备有百叶箱（内设最高温度计、最低温度计、干湿球温度计、自记式温度计、自计式湿度计等）、雨量筒、太阳辐射（日照）仪、风向风速仪、地温表、蒸发皿等，水银气压表、空盒气压计等则通常设置于观测点中的建筑物内。
以上的数据是由仪器记录或测量到的，另外还有无法用仪器取代的观测就只有依赖观测人员目测并加以记录了，譬如云量、云属、能见度，以及闪电、雷鸣、彩虹、雨幡等天气现象，由气象观测员目测并加以记录。
地面气象观测数据必须在限定的时间内与全球交换。由于过去气象数据的交换都是通过电报来实现的，所以数据必须精简，而且格式统一，需要编写5位数字一组的气象电码。气象电码按照规定先汇集到几个气象数据交换中心，然后由这些中心把汇集的数据利用有线或无线的媒体网络广播出去，每个国家或地区的气象台通过接收电码，也就拥有全球同一时间的气象数据了。因为数据量非常庞大，而且几乎都在同一时间传递，所以即使是在今天的科技条件下，气象电码也还是要非常精简明了的。
由于大气系统大都涵盖相当大的范围，一个单点大气的数据并不能说明整个大气的状况。利用一个单点的气象数据推测大气系统，只能是瞎子摸象，是不能窥一斑而知全豹的。大气科学是最没有国界意识和门户之见的学科门类，需要通过全球密切合作，彼此交换数据，把大气的全貌一点一滴拼凑起来。预报员综合各地的地面观测资料后，才能绘出地面天气图，以便对天气状况的变化进行分析和预报。
8.1.2探空观测
1927年，法国人布罗和伊德拉克发明了无线电探空仪。这种电子仪器被悬挂在氢气球下升入空中，一路上将测得的气象资料用无线电信号发回到地面接收站，开始了高空气象观测，使大气探测由地面扩展到三维空间。高空气象探测一般是用探空气球携带探空仪器升空进行，可测得不同高度的大气温度、湿度、气压，并以无线电信号发送回地面。利用地面的雷达系统跟踪探空仪的位移还可测得不同高度的风（风向、风速）。当气象探空气球升到对流层顶，它的体积已经超过一个房间大小，而且气温已经远低于0℃，气球的材质必须非常强韧，一般探空气球可以探测到离地面20～30多千米的高度。
气象探空
气象探空数据与地面观测数据的处理方式一样，要综合世界各地上千个探空观测点的同一时间的观测资料，才能绘出高层大气的天气图。天气预报通常要绘出850百帕、700百帕、500百帕、300百帕、200百帕、100百帕等压面的天气图，并还要视需要再绘出更多的天气分析图供气象预报使用。
8.1.3天气雷达
天气雷达是利用云雾、雨、雪等降水粒子对电磁波的散射和吸收，为探测降水的空间分布和铅直结构，并以此为警戒跟踪降水系统的雷达。常用的波长大多在1～10厘米范围。因10厘米波长的衰减小，用于探测台风、暴雨及冰雹较好。国内目前普遍使用的是国产713雷达（5.6厘米）、714雷达（10厘米）和711雷达（3.2厘米），可探测雷达站周围几百千米范围内的天气系统。
天气雷达多为脉冲雷达，它以一定的重复频率发射出持续时间很短（0.25～4微秒）的脉冲波，然后接收被降水粒子散射回来的回波脉冲。降水对雷达发射波的散射和吸收同雨滴谱、雨强、降水粒子的相态、冰晶粒子的形状和取向等特性有关。分析和判定降水回波，可以确定降水的各种宏观特性和微物理特性。在降水回波功率和降水强度之间已建立有各种理论和经验的关系式，利用这些关系，可以根据回波功率测定雷达探测范围内的降水强度分布和总降水量。
1998年，中国开始布网新一代多普勒天气雷达系统。1842年，奥地利物理学家多普勒首先从运动着的发声源中发现了多普勒效应。当降水粒子相对雷达发射波束相对运动时，可以测定接收信号与发射信号的高频频率之间存在的差异，从而得出所需的信息。多普勒天气雷达的工作原理以多普勒效应为基础，可以测定散射体相对于雷达的速度，在一定条件下反演出大气风场、气流垂直速度的分布以及湍流情况等。这对研究降水的形成，分析中小尺度天气系统，警戒强对流天气等具有重要意义。1997年，上海率先引进美国WSR-88D型多普勒天气雷达。1999年，中美合资的WSR-98D型多普勒系统在安徽合肥建成并通过现场验收。新一代天气雷达在灾害性天气监测、预警方面，发挥着不可替代的作用。目前中国已建成的新一代多普勒天气雷达主要分S、C两种波段，S波段雷达主要分布在沿海地区及主要降水区域，C波段雷达主要分布在内陆地区。
多普勒天气雷达是一个探测、处理、分配并显示产品的独立应用系统。基于瑞利散射原理来获取天气目标物距离、方位和反射率数据，间歇性地向大气中发射脉冲电磁波，以近于直线的路径和接近光波的速度在大气传播。在其传播的路径上，若遇到了气象目标物，脉冲电磁波被气象目标物散射，其中后向散射返回雷达的电磁波，称为回波信号。以产生最佳雷达探测范围并使反射率回波最佳化，根据雷达方程和气象算法，多普勒天气雷达采用软件处理来控制雷达工作特性，对获得的基本天气数据进行分析处理，在用户端显示出气象目标的空间位置、强度等特征，从而生成并导出天气预报员可视的基本气象产品图。
2002年7月19日下午，雷达图上出现影响郑州市的雹云回波。15时30分雷达观测到回波带位于安阳、鹤壁，山西的陵川、高平、沁水、阳城一带。17时开始逼近焦作、武陟、修武东南侧、获嘉等地，抬高雷达仰角，明显看到有三个发展旺盛的对流单体排列在以上地区，其中最前侧的一块距郑州20千米，回波强度达55dBz，尺度有5～8千米，左侧是弱回波区，也就是强上升气流区。第二块回波强度为54dBz。回波快速东南移动。18时24分第一、二块回波移近郑州、荥阳和巩义，强度维持在55dBz以上。18时30分前后，两块回波影响巩义、荥阳、郑州，使得上述区域均受到了冰雹袭击，特别是郑州市出现了近几十年不遇、直径达50毫米的大冰雹，伴有雷雨大风，风力8级，市区北部和东部遭到了严重灾害，直接经济损失达上千万元。
8.1.4气象卫星
气象卫星就是从太空对地球及其大气层进行气象观测的人造地球卫星。气象卫星实质上是一个高悬在太空的自动化高级气象站，是空间、遥感、计算机、通信和控制等高技术相结合的产物。卫星所载各种气象遥感器，接收和测量地球及其大气层的可见光、红外和微波辐射，并将其转换成电信号传送给地面站。地面站将卫星传来的电信号复原，绘制成各种云层、地表和海面图片，再经进一步处理和计算，得出各种气象资料。
气象卫星
气象卫星按轨道的不同分为太阳轨道气象卫星和地球静止轨道气象卫星。前者由于卫星是逆地球自转方向与太阳同步，称作太阳同步轨道气象卫星；后者是与地球保持同步运行，相对地球是不动的，称作静止轨道气象卫星，又称作地球同步轨道气象卫星。按是否用于军事目的分为军用气象卫星和民用气象卫星。气象卫星观测范围广，观测次数多，观测时效快，观测数据质量高，不受自然条件和地域条件限制，它所提供的气象信息已广泛应用于日常气象业务、环境监测、防灾减灾、大气科学、海洋学和水文学的研究。气象卫星也是世界上应用最广的卫星之一。