大氣探測又稱氣象觀測，是對地球大氣圈及其密切相關的水圈、冰雪圈、岩石圈（陸麵）、生物圈等的物理、化學、生物特征及其變化過程進行係統的、連續的觀察和測定，並對獲得的記錄進行整理的過程。氣象觀測是氣象科學的重要分支，它將基礎理論與現代科學技術相結合，形成多學科交叉融合的獨立學科，處於大氣科學發展的前沿。氣象觀測信息和數據是開展天氣預警預報、氣候預測預估及氣象服務、科學研究的基礎，是推動氣象科學發展的源動力。發展一體化的氣象綜合觀測業務是氣象事業發展的關鍵。大氣探測主要包括地麵觀測、高空探測、特種觀測和遙感探測等。
天氣是指一定區域短時段內大氣的冷暖、陰晴、風雨、幹濕等狀態及其變化的總稱。天氣預報就是根據已知的大氣狀態，運用包括經驗、技術、方法或理論等一定的知識，對某一區域未來的天氣做出分析和預測。截止到目前，天氣預報技術的發展大致經曆了群眾經驗、天氣圖方法、數值天氣預報和人機交互處理技術等四個階段。
8.1探測雲天
長期以來，人們為了探測大氣的變化規律，一直進行著不懈的努力。在大氣科學萌芽時期，人們主要依靠眼睛觀察天氣現象的變化，憑感官感知冷暖幹濕的差異。隨著科學技術的發展，16～17世紀，人類相繼發明了溫度計、氣壓計、濕度計、雨量器、風杯風速計等，並投入實際應用，使大氣探測進入到定量階段。20世紀20年代，由於無線電探空儀的出現和高空風探測技術的發展，使大氣探測由地麵擴展到三維空間，40年代以後，探空氣球的探測高度已達到20～30千米，應用火箭探測更把探測高度提高到100千米左右。地麵和探空氣象觀測站網的建立，連續觀測資料的取得，在推動近代天氣學的建立和發展、提高天氣預報準確性方麵有著十分重要的意義。
20世紀40年代初，出現了專門的雲雨測量氣象雷達。1960年4月，美國發射了第一顆極軌氣象衛星。之後，各種類型的遙感設備相繼研製和試驗成功，如激光雷達、風廓線儀、微波輻射儀等。這些現代遙感儀器的應用和美國、蘇聯、中國、日本等國陸續發射的一係列氣象探測衛星，大大提高了現代大氣探測的水平。特別是近一二十年中，隨著多普勒天氣雷達和氣象衛星技術的快速發展，隨著大氣觀測自動氣象站網的建立和改進，精度和效率更高的遙感儀器和設備的應用，更使大氣探測的麵貌煥然一新。目前大氣探測主要包括地麵觀測、高空探測、特種觀測和遙感探測等。
準確的天氣預報依托於一係列氣象觀測資料，如果沒有詳細的觀測資料，就不可能進行精確的天氣預報。由於氣象觀測業務對社會經濟的巨大影響和自身的重要科學價值，世界氣象組織十分重視全球氣象觀測係統建設，現已建成了世界天氣監視網。為進一步提高對全球氣候變化的監測、預測能力，國際氣象組織正在推動建立全球氣候觀測係統。
觀測資料與氣象要素真值存在不確定的誤差。一是儀器誤差，再精密的儀器都會有誤差，測出的數值不會精確地等於真值；二是人為誤差，儀器是由人來操作和觀測的，觀測人員不是一個人，每個人都會存在不一樣的人為誤差，即使同一個人，所測得的數據也不會精確地等於真值；三是環境造成的誤差，尤其是目前城市建設發展迅速，氣象觀測環境往往得不到合法的保護，環境遭到破壞，或者頻繁變更氣象觀測場地，這些都會引起觀測數據的改變和失真，且誤差也不再連續，所得到的觀測數據也就更不準確。初始的氣象觀測資料錯之毫厘，得出的天氣預報和氣候預測結果會差之千裏。所以，氣象儀器的精度、觀測人員的業務技能、觀測環境的保護等，對於做出準確的天氣預報和氣候預測，對於氣象專業服務就顯得十分重要。
8.1.1地麵觀測
16～17世紀，隨著工業化革命和科學技術的發展，歐洲的一些科學家相繼發明了一係列用以測量地麵氣象要素的儀器並投入實際應用，如溫度計、氣壓計、濕度計、雨量器、風杯風速計等。1653年，意大利斐迪南二世首次創建了歐洲地麵氣象觀測網，從而使大氣探測開始進入到定量器測的階段。
地麵氣象觀測主要是對近地層範圍內的氣象要素進行觀察和測定，主要觀測的項目有氣溫（離地1.5米高處，百葉箱內的氣溫）、濕度、氣壓、風（包括風向風速）、雲、天氣現象、能見度、地溫、降水、蒸發量、日照時數、太陽輻射等。
地麵氣象觀測主要是在按照一定標準建設好的觀測場內進行，觀測場的四周必須是空曠的，不得有大的、高的建築物或障礙物，觀測場內應遍植草皮，以免造成局地的小環流，以上這些都有相應的技術規範作為依據。觀測場的環境受《中華人民共和國氣象法》和國務院《氣象設施和氣象探測環境保護條例》的保護，破壞氣象觀測場及觀測場環境屬違法行為。觀測場中必要的設備有百葉箱（內設最高溫度計、最低溫度計、幹濕球溫度計、自記式溫度計、自計式濕度計等）、雨量筒、太陽輻射（日照）儀、風向風速儀、地溫表、蒸發皿等，水銀氣壓表、空盒氣壓計等則通常設置於觀測點中的建築物內。
以上的數據是由儀器記錄或測量到的，另外還有無法用儀器取代的觀測就隻有依賴觀測人員目測並加以記錄了，譬如雲量、雲屬、能見度，以及閃電、雷鳴、彩虹、雨幡等天氣現象，由氣象觀測員目測並加以記錄。
地麵氣象觀測數據必須在限定的時間內與全球交換。由於過去氣象數據的交換都是通過電報來實現的，所以數據必須精簡，而且格式統一，需要編寫5位數字一組的氣象電碼。氣象電碼按照規定先彙集到幾個氣象數據交換中心，然後由這些中心把彙集的數據利用有線或無線的媒體網絡廣播出去，每個國家或地區的氣象台通過接收電碼，也就擁有全球同一時間的氣象數據了。因為數據量非常龐大，而且幾乎都在同一時間傳遞，所以即使是在今天的科技條件下，氣象電碼也還是要非常精簡明了的。
由於大氣係統大都涵蓋相當大的範圍，一個單點大氣的數據並不能說明整個大氣的狀況。利用一個單點的氣象數據推測大氣係統，隻能是瞎子摸象，是不能窺一斑而知全豹的。大氣科學是最沒有國界意識和門戶之見的學科門類，需要通過全球密切合作，彼此交換數據，把大氣的全貌一點一滴拚湊起來。預報員綜合各地的地麵觀測資料後，才能繪出地麵天氣圖，以便對天氣狀況的變化進行分析和預報。
8.1.2探空觀測
1927年，法國人布羅和伊德拉克發明了無線電探空儀。這種電子儀器被懸掛在氫氣球下升入空中，一路上將測得的氣象資料用無線電信號發回到地麵接收站，開始了高空氣象觀測，使大氣探測由地麵擴展到三維空間。高空氣象探測一般是用探空氣球攜帶探空儀器升空進行，可測得不同高度的大氣溫度、濕度、氣壓，並以無線電信號發送回地麵。利用地麵的雷達係統跟蹤探空儀的位移還可測得不同高度的風（風向、風速）。當氣象探空氣球升到對流層頂，它的體積已經超過一個房間大小，而且氣溫已經遠低於0℃，氣球的材質必須非常強韌，一般探空氣球可以探測到離地麵20～30多千米的高度。
氣象探空數據與地麵觀測數據的處理方式一樣，要綜合世界各地上千個探空觀測點的同一時間的觀測資料，才能繪出高層大氣的天氣圖。天氣預報通常要繪出850百帕、700百帕、500百帕、300百帕、200百帕、100百帕等壓麵的天氣圖，並還要視需要再繪出更多的天氣分析圖供氣象預報使用。
8.1.3天氣雷達
天氣雷達是利用雲霧、雨、雪等降水粒子對電磁波的散射和吸收，為探測降水的空間分布和鉛直結構，並以此為警戒跟蹤降水係統的雷達。常用的波長大多在1～10厘米範圍。因10厘米波長的衰減小，用於探測台風、暴雨及冰雹較好。國內目前普遍使用的是國產713雷達（5.6厘米）、714雷達（10厘米）和711雷達（3.2厘米），可探測雷達站周圍幾百千米範圍內的天氣係統。
天氣雷達多為脈衝雷達，它以一定的重複頻率發射出持續時間很短（0.25～4微秒）的脈衝波，然後接收被降水粒子散射回來的回波脈衝。降水對雷達發射波的散射和吸收同雨滴譜、雨強、降水粒子的相態、冰晶粒子的形狀和取向等特性有關。分析和判定降水回波，可以確定降水的各種宏觀特性和微物理特性。在降水回波功率和降水強度之間已建立有各種理論和經驗的關係式，利用這些關係，可以根據回波功率測定雷達探測範圍內的降水強度分布和總降水量。
1998年，中國開始布網新一代多普勒天氣雷達係統。1842年，奧地利物理學家多普勒首先從運動著的發聲源中發現了多普勒效應。當降水粒子相對雷達發射波束相對運動時，可以測定接收信號與發射信號的高頻頻率之間存在的差異，從而得出所需的信息。多普勒天氣雷達的工作原理以多普勒效應為基礎，可以測定散射體相對於雷達的速度，在一定條件下反演出大氣風場、氣流垂直速度的分布以及湍流情況等。這對研究降水的形成，分析中小尺度天氣係統，警戒強對流天氣等具有重要意義。1997年，上海率先引進美國WSR-88D型多普勒天氣雷達。1999年，中美合資的WSR-98D型多普勒係統在安徽合肥建成並通過現場驗收。新一代天氣雷達在災害性天氣監測、預警方麵，發揮著不可替代的作用。目前中國已建成的新一代多普勒天氣雷達主要分S、C兩種波段，S波段雷達主要分布在沿海地區及主要降水區域，C波段雷達主要分布在內陸地區。
多普勒天氣雷達是一個探測、處理、分配並顯示產品的獨立應用係統。基於瑞利散射原理來獲取天氣目標物距離、方位和反射率數據，間歇性地向大氣中發射脈衝電磁波，以近於直線的路徑和接近光波的速度在大氣傳播。在其傳播的路徑上，若遇到了氣象目標物，脈衝電磁波被氣象目標物散射，其中後向散射返回雷達的電磁波，稱為回波信號。以產生最佳雷達探測範圍並使反射率回波最佳化，根據雷達方程和氣象算法，多普勒天氣雷達采用軟件處理來控製雷達工作特性，對獲得的基本天氣數據進行分析處理，在用戶端顯示出氣象目標的空間位置、強度等特征，從而生成並導出天氣預報員可視的基本氣象產品圖。
2002年7月19日下午，雷達圖上出現影響鄭州市的雹雲回波。15時30分雷達觀測到回波帶位於安陽、鶴壁，山西的陵川、高平、沁水、陽城一帶。17時開始逼近焦作、武陟、修武東南側、獲嘉等地，抬高雷達仰角，明顯看到有三個發展旺盛的對流單體排列在以上地區，其中最前側的一塊距鄭州20千米，回波強度達55dBz，尺度有5～8千米，左側是弱回波區，也就是強上升氣流區。第二塊回波強度為54dBz。回波快速東南移動。18時24分第一、二塊回波移近鄭州、滎陽和鞏義，強度維持在55dBz以上。18時30分前後，兩塊回波影響鞏義、滎陽、鄭州，使得上述區域均受到了冰雹襲擊，特別是鄭州市出現了近幾十年不遇、直徑達50毫米的大冰雹，伴有雷雨大風，風力8級，市區北部和東部遭到了嚴重災害，直接經濟損失達上千萬元。
8.1.4氣象衛星
氣象衛星就是從太空對地球及其大氣層進行氣象觀測的人造地球衛星。氣象衛星實質上是一個高懸在太空的自動化高級氣象站，是空間、遙感、計算機、通信和控製等高技術相結合的產物。衛星所載各種氣象遙感器，接收和測量地球及其大氣層的可見光、紅外和微波輻射，並將其轉換成電信號傳送給地麵站。地麵站將衛星傳來的電信號複原，繪製成各種雲層、地表和海麵圖片，再經進一步處理和計算，得出各種氣象資料。
氣象衛星按軌道的不同分為太陽軌道氣象衛星和地球靜止軌道氣象衛星。前者由於衛星是逆地球自轉方向與太陽同步，稱作太陽同步軌道氣象衛星；後者是與地球保持同步運行，相對地球是不動的，稱作靜止軌道氣象衛星，又稱作地球同步軌道氣象衛星。按是否用於軍事目的分為軍用氣象衛星和民用氣象衛星。氣象衛星觀測範圍廣，觀測次數多，觀測時效快，觀測數據質量高，不受自然條件和地域條件限製，它所提供的氣象信息已廣泛應用於日常氣象業務、環境監測、防災減災、大氣科學、海洋學和水文學的研究。氣象衛星也是世界上應用最廣的衛星之一。
氣象衛星開創了從宇宙空間觀測大氣的新時代。1958年，美國發射的人造衛星開始攜帶氣象儀器。1960年4月1日，美國發射了世界上第一顆試驗性氣象衛星“泰羅斯”1號。1988年9月7日，中國發射了第一顆“風雲一號”太陽同步軌道氣象衛星。之後經曆了從極軌衛星到靜止衛星，從試驗衛星到業務衛星的發展過程，建立了以接收風雲衛星為主、兼收國外環境衛星的衛星地麵接收和應用係統，在氣象減災防災、國民經濟和國防建設中發揮了顯著作用。2012年底，中國的極軌氣象衛星和靜止氣象衛星已經進入業務化，中國成為世界上少數幾個同時擁有極軌和靜止氣象衛星的國家之一，是世界氣象組織對地觀測衛星業務監測網的重要成員。
8.1.5風廓線儀
風廓線儀是探測晴空大氣中風隨高度變化的一種雷達設備。大氣中折射率的不均勻能夠引起對電磁波的散射，其中大氣中的湍流活動導致折射率漲落而引起的湍流散射，散射層的運動和湍流塊的運動都可造成返回電磁波信號的多普勒頻移，采用多普勒技術可以獲得其相對於雷達的徑向速度，通過進行多射向的速度測量，在一定的假定條件下可估測出回波信號所在高度上的風向、風速和垂直運動，從而獲取大氣風廓線資料。
風廓線儀是通過向高空發射不同方向的電磁波束，接收並處理這些電磁波束因大氣垂直結構不均勻而返回的信息，進行高空風場探測的一種遙感設備，風廓線儀就是用於這一探測目的的脈衝多普勒雷達。風廓線儀利用多普勒效應能夠探測其上空風向、風速等氣象要素隨高度的變化情況，具有探測時空分辨率高、自動化程度高等優點。在風廓線雷達基礎上增加聲發射裝置構成無線電-聲探測係統，可以遙感探測大氣中氣溫的垂直廓線。風廓線儀能夠提供以風場為主的多種數據產品。
8.1.6閃電定位儀
閃電可以分為包含雲與雲、雲與空氣、雲內放電的雲閃、雲地閃、誘發閃電、球閃等多種，其中對地麵設施危害最大的是雲地閃電。雲地閃電又可以細分為正電荷對地放電的正閃和負電荷對地放電的負閃。閃電定位儀主要用來探測雲地閃，並且能區分正負極性。
閃電定位從理論上講，其核心是通過幾個站同時測量閃電回擊輻射的電磁場來確定閃電源的電流參數。參數包括回擊的放電時間，回擊發生的位置，100千米處回擊波形的強度峰值、陡度值、陡點時間、前沿上升時間、寬度等，根據100千米處輻射場的波形，可以近似計算出回擊的放電電荷、輻射能量。
由布置在不同地理位置上的兩台以上的閃電定位儀，可以構成一個雷擊探測定位係統網。中心數據處理站經通信信道可和多達16個閃電定位儀相連，對接收到的閃電回擊數據實時進行交彙處理，給出每個閃電回擊的準確位置、強度等參數，由其圖形顯示終端設備隨時存儲、顯示、打印或拷貝成圖。中心數據處理站也可經通信係統對各個閃電定位儀進行參數設置、調出閃電定位儀工作狀態等。通過數據服務網絡或設置多個圖形顯示終端，以便多個部門共享雷電的信息資源。一般而言，多站交彙誤差要比兩站交彙誤差小，因此多站布置可以提高雷電定位精度，同時可以擴大探測範圍。通常希望把閃電定位儀布置成三角形、正四邊形更為有利。
目前中國共建成雷電探觀測點334個，覆蓋範圍包括南沙和釣魚島等地區。探測數據全部傳輸至中國氣象局信息中心的中心數據處理站，由中國氣象局探測中心雷電數據處理中心生成產品，為氣象、電力等多個部門提供包括雷電密度分布等多種專業服務。
分析強雷暴時段地閃強度特征，大風冰雹天氣平均正閃強度大於負閃強度，而暴雨類地閃頻數雖然很大，但負閃平均強度不大，而且弱於雷雨大風冰雹平均正閃強度。大風冰雹類天氣過程中，2004年6月21日20時33分，獲嘉出現最大正地閃強度達＋236.0千安培。2006年7月2日11時20分，暴雨過程中，周口市區出現最大負地閃強度為-218.7千安培。最大正、負閃出現時間，可以在強雷暴過程的開始、持續、結束任何時段，地閃強度的大小與雷暴類型的關係還不確定。
8.1.7無人機
無人機是一種由無線電遙控設備或自身程序控製裝置操縱的無人駕駛飛行器。無人機由飛行係統、通訊係統和載荷三部分構成。無人機係統由無人機、地麵通訊指揮係統和數據接收處理係統構成。掛載不同的載荷，可以實現不同的用途。
中國氣象部門對無人機的應用研究在國內相對較早，20世紀90年代，中國氣象局就開始了無人機在氣象方麵的應用研究，2002年下達了“自控無人駕駛飛機遙感”氣象新技術推廣項目。中國氣象局大氣探測中心具體承擔該項工作，經過十多年的發展，已成功研製和推出了探空、遙感、人工影響天氣等三個係列十餘個機型的氣象無人機，主要用於垂直或水平探測大氣溫、壓、濕和風，遠距離或多點探測大氣溫、壓、濕和風，監測天氣係統（如台風）、大氣化學探測或采樣、雲及雨滴探測、人工影響天氣雲的催化播撒、遙感等。
中國各地氣象部門先後開展了氣象無人機的研究試驗和應用，無人機在氣象上的應用有著廣闊的前景，尤其是在中國西部地區。由於航空采取了多層飛行，中國中部、東部地區空域十分緊張，加之無人機還不能確保飛行安全，所以目前仍存在著製約無人機發展的瓶頸問題。
8.1.8自動化測雲儀
（1）國外雲自動化觀測技術
目前，國外已有一些自動化測雲儀器，如芬蘭維拉薩公司生產的商業用CL31、CL51型激光雲高儀，美國加裏福尼亞大學的WSI，美國洋基環境係統公司開發的測雲儀器。美國1992年開始建立第一套自動地麵觀測係統。
國外激光雲高儀能夠測量雲高、雲量，且在自動地麵觀測係統中有成熟應用。巴勒等在小區域上對WSI雲圖進行了分類，考察了雲圖的紋理特征、位置信息和像素點亮度信息，並對高積雲、卷雲、層雲、積雲和晴空等5種天空類型進行判斷，總正確率為61%。
（2）國內雲自動化觀測技術
中國也開發出了一些用於雲自動化觀測的儀器。目前有解放軍理工大學的地基紅外測雲儀，中科院大氣所的紅外雲像儀和全天空成像儀，中國氣象科學研究院的可見光全天空測雲儀，洛陽凱邁的激光雲高儀，安徽光電研究所研製的微脈衝激光雷達測雲儀。
紅外麵陣全天空測雲儀，利用大氣的紅外窗口特性，結合紅外輻射傳輸模式，分析水汽、能見度、氣溶膠、光學厚度等因子對大氣向下紅外輻射與雲底高度的關係，反演雲底高度，實現雲高、雲量及部分雲狀的探測。單點紅外傳感器，通過掃描獲取全天空雲圖，結合紅外輻射傳輸模式和地麵氣象資料，擬合出天空亮溫與雲高之間的函數關係式，通過多次迭代的方法進行地基遙感反演雲底高度，實現雲高、雲量探測。雙波段測雲係統，利用可見光的測量精度對紅外波段進行實時標校，提高紅外反演精度，實現晝夜自動化觀測。
8.1.9能見度自動觀測儀
能見度是識別氣團特性的重要參數之一，可反映大氣層穩定程度，預示天氣的變化。同時，能見度代表當時的大氣光學狀態，反映大氣的混濁程度，是表征近地表層大氣汙染程度的一個重要物理量，因而在環境監測上具有實際意義。
能見度人工觀測數據因受目標物狀況、光線亮度、人員素質、視力、習慣、心理等諸多因素的影響，人為因素較大，質量較低，連續性、比較性較差。能見度局地性強，時空變化大，時間間隔幾分鍾就可能變化幾千米，相距幾千米的兩個地方，能見度可能相差幾千米甚至十幾千米。能見度人工觀測點僅限於國家級氣象站，觀測時次是基準站每天24次，基本站是每天8次，一般站每天3次，觀測數據遠遠不能反映大氣的實際狀況。能見度觀測時空密度遠不能適應日益提高的社會服務需求。
大氣中光的衰減是由散射和吸收引起的。一般情況下，吸收因子可以忽略，而經由水滴反射、折射或衍射產生的散射現象是影響能見度的主要因素，故測量散射係數的儀器可用於估計氣象光學視程。前散型能見度傳感儀主要是通過測量散射光強度，得出散射係數，從而估算出消光係數。透射能見度儀采用測量發射器和接收器之間水平空氣柱的平均透射係數而算出能見度，發射器提供一個經過調製的定常平均功率的光通量源，接收器主要由一個光檢測器組成，由光檢測器輸出測定透射係數，再據此計算消光係數和氣象光學視程。
能見度自動觀測儀是根據觀測區域內氣溶膠粒子對特定波長紅外脈衝散射強度來反演能見度的，觀測精度取決於散射區氣溶膠粒子的濃度和直徑，濃度越高，散射量越大，粒子分布直徑越接近紅外波長，散射量越大。能見度自動觀測數據準確度高，均一性、比較性、連續性遠遠高於人工觀測數據。時空密度高，可以加密布點，增加空間密度，觀測數據時間密度可以達到每秒數十次，經過多次滑動平均，目前提供的數據是每分鍾一次，時間密度增加近百倍。因此，能見度自動觀測數據更加客觀，比人工觀測數據更好地反映近地麵能見度狀況，完全可以代替人工觀測。