第五章
天氣的觀察
跟蹤天氣實況有時像觀察風向一樣簡單，但有時又像發射價值上億元的衛星那樣複雜。氣象監測仍依賴一些基礎測量的方法——氣溫、濕度、風和氣壓的觀測。這些在幾個世紀以來一直是氣象學家工作的一部分，估測這些天氣特征還十分複雜，但其變量是一致的。近幾十年來這些現場收集的標準觀測資料，可以通過大範圍的遙感儀器完成。雷達、衛星和其他設備如今可對十幾裏、幾百裏乃至上千裏以外的氣象情況作出報告。
以往，氣溫用水銀溫度表或酒精溫度表測量，但在17世紀初，最先使用的溫度表則是利用空氣和酒精。大氣變熱，液體膨脹，溫度表內的液麵上升。現在，數字溫度計依靠在電路或電阻的電子屬性內部變化。大多數氣象站每24小時主要根據溫度實況的變化，發布最高或最低溫度的記錄，美國采用華氏，其他地區則采用攝氏溫標。
氣象學家用氣壓表測量大氣壓力，大氣壓是地球引力將儀器上方的大氣團向下拉動，在每單位麵積所形成的力。典型的無液氣壓表測量直接作用於有一定真空的空管上的壓力。現在更先進的氣壓表叫壓電電阻表，它測量由大氣作用在矽薄膜上的反作用力的變化。位於海拔1英裏(16千米)的氣象站可承受約85％的海平麵大氣壓。這是由於它上空空氣稀薄的原因。為擺脫因這種海拔高度造成的影響，氣壓表常讀作一個海拔高度。這種轉化是假定一個臆造的但又合理的實際高度同海平麵之間的標準大氣。
氣壓曾以水銀柱高度(英寸)為單位。對水銀氣壓表而言，由於大氣壓作用在水銀管的周圍，液體可在真空管內上升。海平麵標準大氣壓為2992英寸水銀柱高或以米製換算，約為1013毫巴(如果在經典氣壓表內加的是水而不是水銀，那麼該儀器需加長到三層樓那麼高)。空氣中的濕度用濕度計測定。它是一種利用頭發、幹羊腸筋或細金屬絲根據相對濕度的變化而拉長或收縮的測濕儀。
另一種測濕法是用幹濕球溫度表，來測量露點溫度。風向是主要的氣象變量，利用它作為即將到來的天氣征兆並將它記錄下來。風向的一些記錄可追溯到2000多年前，水平方向的風向可用羅盤刻度記錄，360°代表北方，90°代表東方，180°代表南方，270°代表西方。用近似十進位製的方法記錄或描述風吹來的方向。如東風轉東南風或轉西北風。
風速常用風速表測定。用一個螺旋槳或類似張開雙臂一樣的東西，迎著風，安上可計數的旋轉球。一隻壓力風速表精確記錄由風的作用，在開口端產生的動力壓力。音波風速表利用測量風在吹過兩個感應器之間的縫隙所產生的聲音來測風。風速以時速“英裏”來記錄，也可用“節”，即時速自然“英裏”的別稱，相當於115英裏／時。米製采用千米／時，或米／秒。由於風速每秒都可發生變化，現代的風速計包括一種軟件，可在規定時間內測量平均的持續不變的風速以及狂風的威力。用電波聲納和風向剖麵監測儀監控高空的風。
把其他用來預測氣象變化的因素結合起來，天氣現象包括能見度(幾英裏或幾千米內)、雲狀和雲高度以及在天空聚集的比例。以前的風力，一定時間內降雨量。最後還包括降雪厚度和雪中所含的水量。
至少每小時一次，全球氣象台站進行地麵觀測並將觀測結果發送到所在國家氣象部門。
這些讀數大多經加工幾分鍾內告之公眾。這是國際間的合作及國際互聯網的功勞。另外，自願觀測者們也控製近萬家氣象台站，每人每天進行一至兩次觀測。觀測報告連同國際數據奠定氣候觀測的基礎。
在過去幾年裏許多國家，包括日本和美國，對地麵觀察網站實行全部或大部分的自動化。這樣，觀測員隻是為了檢查和保養這些網站。這些網站配有最新技術水平的電子設備，經常在10～15分鍾可傳遞一次觀測結果。
在氣象用氣球發明之前，人們對大氣運動的觀測隻是與地麵有關。19世紀起，用氣球作實驗獲得地麵以上的大氣運動狀況，這些高度上氣流對天氣的運動和變化起到關鍵作用。
無線電問世於20世紀20年代，待到無線電探空儀的出現，那些有氣象氣球的台站改變了人們對高空大氣的看法。最典型的就是無線電探空儀通過小型氣壓表確定氣壓並測量溫度和濕度對電傳導性的影響。隨著無線電探空儀的上升，它用無線電發回報告，並根據某一地區探空儀的變化測定風速及風向。大約一小時後，一種特製無線電探空儀上升15英裏(24千米)以上。氣球膨脹最終爆炸。儀器包已完成使命，用一個微型降落傘把它降落到地麵。
到了20世紀40年代，每天無線電探空儀傳播的信息遍布全球。氣象學家們很快就會算出高空急流和其他的特征。現在，全球每天都會發射1000個無線電探空儀，大部分在北半球。
雷達是最佳追蹤器，在雷雨天裏，可以跟蹤風；也可以將雨和雪的區域繪鹹地圖。第一部雷達在二戰期間研製並改進，隨後變成民用雷達。雷達發送電磁信號，通常是微波，遇到雨滴、冰雹和雪花時就會返折回來；通過測算信號返回到雷達所需的時間及有多少信號返回來，科學家們可以算出降水區有多遠，降水量有多大。
多普勒雷達在20世紀90年代被廣泛使用，它利用返回信號的頻率估測降水目標移動的速度——估測風吹動它們的速度。
在北美、歐洲和澳大利亞，人們經常收集從雲層到地麵閃電的資訊。它們用來區分和跟蹤風暴以及森林大火的調查，還用在航空和其他領域。美國氣象網站約有100組雷達天線網，探測雲層到地麵的脈衝信號的角度或到達的時間，每年都有兩千萬次以上這樣的衝擊。首次從地球到太空的想法改變了人們如何認識自己的家園，引發全球環境改變，也改變了氣象學。從火箭拍攝的照片上表明全球雲團網比人類預想的還要複雜。科學家們開始想象一種軌道衛星，它可以一直監視地球，到了20世紀60年代中期，科學家們的夢想實現了。衛星將地球拍成照片並在幾分鍾內發回信息。
基本有兩種氣象衛星：地麵靜止衛星即地球靜止業務環境衛星，簡稱GDES；極地軌道衛星即極地控製環境衛星，簡稱POES。在地麵靜止軌道上，靜止衛星距地麵約22，000英裏(35，000千米)的赤道上空，其運行速度與地球自轉速度同步，幾乎晝夜懸在一個地點上。地球餘下區域由極地軌道衛星監測，它沿著從北到南一圈一圈地重複運行，每兩小時在極地附近經過一次。