我們在前麵介紹了沈括在天文曆法方麵的成就。其實，不獨天文曆法，作為百科式的科學家，沈括在《夢溪筆談》中，也為氣象史留下了彌足珍貴的觀察資料和科學經驗。
宋神宗熙寧八年(公元l075年)，沈括作了朝廷的使者，與同僚們一道前往契丹。待一行人走到契丹最北邊的黑水境內的永安山下時，他們搭起了帳篷，準備在那兒宿營。當時、剛好雨過天晴，隻見一條彩彩虹下垂到帳篷前的山澗中。一向注意觀察的沈括，自然不會放過這難得的機會。他想起了民間流傳的“彩虹能下到溪澗飲水”的話，便準備驗證一下。於是，便跟幾個同僚前往山澗旁觀看。
在山澗旁，他們發現，彩彩虹的兩頭都下到了澗裏。為了獲得更多的觀察資料，沈括讓人過澗去，隔著彩虹麵對麵站著。山澗兩旁的人相距幾丈遠，中間好像隔著一層輕紗。此時，正值傍晚，因而，沈括從西向東能夠看到彩虹，而過去的人，從東向西望，則由於太陽晃眼，什麼也看不見。
過了好久，隻見彩彩虹慢慢東移，最後越過山遠去。
看了彩彩虹出現和消失的全過程以後，沈括感慨地說：“人們傳說彩虹能下到溪澗飲水，看來真的是這樣。”後來，他把觀察到的情況記了下來，並指出，彩虹的位置和太陽相對，傍晚的彩虹出現在東方，須在一定的位置觀察。他還引用與他同時代的另一位科學家孫彥先的話，解釋彩彩虹的成因說：“彩虹是雨中太陽的影子，太陽照雨，就會有彩虹出現。”
從這個故事我們可以看到，沈括不僅親自觀察了彩彩虹，對它作了描述，還提出了精辟的見解：彩虹的位置與太陽相對，肯定了孫彥先對彩虹成因的解釋。應該說，沈括的見解是正確的，而孫彥先的解釋也是基本上符合真實的。沈括的見解和引用，為後人留下不可多得的經驗和史料，在氣象史上，具有重要的意義。在歐洲，13世紀時，英國著名科學家培根也說，彩虹是由太陽照射雨滴反映在空中而形成的，但他這一觀點的提出，要比孫彥先晚了大約二百年。
我們說孫彥先對彩彩虹成因的解釋是基本上符合真實的。那麼，彩彩虹到底是怎樣形成的呢?這一科學之謎，直到l7世紀，才有了較為嚴密的答案：彩虹是陽光照射在空中的大水滴上，經折射、分光、全反射、再折射而形成的，而且是隻在太陽高度角較低的情況下才能形成。
盡管沈括引用孫彥先的學說來解釋彩虹的成因，而且這個解釋還沒有現代的解釋精密，但在九百多年前便能持有這樣的見解，無疑是很有價值的。尤其是彩虹與太陽的位置問題，更是極有見識。
沈括不僅對彩虹進行了觀察，還對海市蜃樓現象進行了調查、記錄。他說：登州(今山東蓬萊、棲霞縣以東一帶)的海麵上，時常有雲氣，像宮室、台觀、城堞、人物、車馬、冠蓋等等，一一可以清清楚楚地看見，這叫做“海市”。有人說，這是蛟龍吐出的雲氣結成的。我覺得不是這樣。歐陽修曾出使河朔，途經高唐縣，夜裏在驛舍中，聽見有“鬼神”從空中經過，車馬人畜的聲音，都可以分辨清楚。他說得很詳細，我在這裏就不再多說了。我為此訪問過當地的老人，他們說：“二十年前，白天也出現過這種情況，還清晰地看到了人和物”。當地人也稱它為“海市”。這與登州所見到的大致是相似的。
我們知道，海市蜃樓是一種大氣光學現象，它是在大氣密度分布有很大差異的情況下，光線經過大氣折射和全反射的綜合結果。說得再通俗點，就是光線“拐彎”造成的幻景。這種現象在海上或沙漠中比較容易見到。古代科學不是太發達，人們不知道是這麼一回事，便說它是一種叫蜃的龍吞雲吐霧製造出、來的。沈括雖然也沒有給海市蜃樓的成因以科學的解釋，但他否定了海市的形成是“蛟蜃之氣所為”的舊觀點，並聯係歐陽修在高唐縣所聞，推論這海市蜃樓不僅出現在海濱，而且陸地上也會發生，同時，他跡斷定這兩種“海市”是大致相似的一種事物。從這種意義上講，沈括的記述則是有著科學價值的。