然而，试图预测天气并不等同于成功。对于大部分人类历史而言，气象预测总能令人失望和惊愕。有时或绝大多数时间里，经验法则更起作用。一旦它们失去功效，其结果是极悲哀的。公元前340年，希腊哲人亚里士多德在他的《气象学》论著中概述了很多有价值的气象知识，尽管亚里士多德对物质世界有些错误概念（例如他认为根本不存在真空），但他的观点持续了近1500年之久，被看做气象学科学的前奏曲。17世纪在欧洲，人们创造力的发挥导致了温度表、晴雨表的发明，并将风速表、温度计加以改良。这就为严格的天气变量（诸如气温、气压、风和湿度）的系统记录，奠定基础。
19世纪随着人们对大气层的基本了解，测量技术得到提高。在美国殖民时期，本杰明·富兰克林根据观察起初在费城的风暴，并获悉它接着席卷了波士顿，从而推断气象系统是自西向东移动的。后来，由于19世纪50年代电报广泛使用，人们将观测的结果汇总，并在几分钟内编好，真正的天气预报诞生了。在这一领域，由军方和商船队掌握的精确记录十分重要。同时，物理和化学家们找到了控制大气的规律，气象学家对其动态作出解释。到了1900年，几个国家气象服务部门发布了正式的天气预报。
由于气象用气球、雷达和卫星的出现，20世纪人类将“人眼”送上了天空。这种想法最初是由挪威气象学家韦尔海姆·皮叶克尼斯提出的。用方程式写出大气规律，使解决办法更为精确。自20世纪50年代，计算机使这种方法进一步发展。利用大量的数据处理，作出预报图，也可对尚未形成的气象系统作出预测，全球性的气象图总体特征提前10天就可预测。虽有局限性，但预测十分准确。气象预报提前3～6个月就可预测出某一地区气温和降水趋势，这都要归功于像韦尔海姆的儿子贾库伯·皮叶克尼斯这样一些科学家们的工作，他使人们更加清楚地了解到厄尔尼诺南方涛动这样有全球影响的现象。
天气的观察
跟踪天气实况有时像观察风向一样简单，但有时又像发射价值上亿元的卫星那样复杂。
气象监测仍依赖一些基础测量的方法——气温、湿度、风和气压的观测。这些在几个世纪以来一直是气象学家工作的一部分，估测这些天气特征还十分复杂，但其变量是一致的。近几十年来这些现场收集的标准观测资料，可以通过大范围的遥感仪器完成。雷达、卫星和其他设备如今可对十几里、几百里乃至上千里以外的气象情况作出报告。
以往，气温用水银温度表或酒精温度表测量，但在17世纪初，最先使用的温度表则是利用空气和酒精。大气变热，液体膨胀，温度表内的液面上升。现在，数字温度计依靠在电路或电阻的电子属性内部变化。大多数气象站每24小时主要根据温度实况的变化，发布最高或最低温度的记录，美国采用华氏，其他地区则采用摄氏温标。
气象学家用气压表测量大气压力，大气压是地球引力将仪器上方的大气团向下拉动，在每单位面积所形成的力。典型的无液气压表测量直接作用于有一定真空的空管上的压力。现在更先进的气压表叫压电电阻表，它测量由大气作用在矽薄膜上的反作用力的变化。位于海拔1英里（1.6千米）的气象站可承受约85％的海平面大气压。这是由于它上空空气稀薄的原因。为摆脱因这种海拔高度造成的影响，气压表常读作一个海拔高度。这种转化是假定一个臆造的但又合理的实际高度同海平面之间的标准大气。
气压曾以水银柱高度（英寸）为单位。对水银气压表而言，由于大气压作用在水银管的周围，液体可在真空管内上升。海平面标准大气压为29.92英寸水银柱高或以米制换算，约为1.013毫巴（如果在经典气压表内加的是水而不是水银，那么该仪器需加长到三层楼那么高）。空气中的湿度用湿度计测定。它是一种利用头发、干羊肠筋或细金属丝根据相对湿度的变化而拉长或收缩的测湿仪。
另一种测湿法是用干湿球温度表，来测量露点温度。风向是主要的气象变量，利用它作为即将到来的天气征兆并将它记录下来。风向的一些记录可追溯到2000多年前，水平方向的风向可用罗盘刻度记录，360°代表北方，90°代表东方，180°代表南方，270°代表西方。用近似十进位制的方法记录或描述风吹来的方向。如东风转东南风或转西北风。
风速常用风速表测定。用一个螺旋桨或类似张开双臂一样的东西，迎着风，安上可计数的旋转球。一只压力风速表精确记录由风的作用，在开口端产生的动力压力。音波风速表利用测量风在吹过两个感应器之间的缝隙所产生的声音来测风。风速以时速“英里”来记录，也可用“节”，即时速自然“英里”的别称，相当于1.15英里／时。米制采用千米／时，或米／秒。由于风速每秒都可发生变化，现代的风速计包括一种软件，可在规定时间内测量平均的持续不变的风速以及狂风的威力。用电波声纳和风向剖面监测仪监控高空的风。
把其他用来预测气象变化的因素结合起来，天气现象包括能见度（几英里或几千米内）、云状和云高度以及在天空聚集的比例。以前的风力，一定时间内降雨量。最后还包括降雪厚度和雪中所含的水量。
至少每小时一次，全球气象台站进行地面观测并将观测结果发送到所在国家气象部门。
这些读数大多经加工几分钟内告之公众。这是国际间的合作及国际互联网的功劳。另外，自愿观测者们也控制近万家气象台站，每人每天进行一至两次观测。观测报告连同国际数据奠定气候观测的基础。
在过去几年里许多国家，包括日本和美国，对地面观察网站实行全部或大部分的自动化。这样，观测员只是为了检查和保养这些网站。这些网站配有最新技术水平的电子设备，经常在10～15分钟可传递一次观测结果。
在气象用气球发明之前，人们对大气运动的观测只是与地面有关。19世纪起，用气球作实验获得地面以上的大气运动状况，这些高度上气流对天气的运动和变化起到关键作用。
无线电问世于20世纪20年代，待到无线电探空仪的出现，那些有气象气球的台站改变了人们对高空大气的看法。最典型的就是无线电探空仪通过小型气压表确定气压并测量温度和湿度对电传导性的影响。随着无线电探空仪的上升，它用无线电发回报告，并根据某一地区探空仪的变化测定风速及风向。大约一小时后，一种特制无线电探空仪上升15英里（24千米）以上。气球膨胀最终爆炸。仪器包已完成使命，用一个微型降落伞把它降落到地面。
到了20世纪40年代，每天无线电探空仪传播的信息遍布全球。气象学家们很快就会算出高空急流和其他的特征。现在，全球每天都会发射1000个无线电探空仪，大部分在北半球。
雷达是最佳追踪器，在雷雨天里，可以跟踪风；也可以将雨和雪的区域绘咸地图。第一部雷达在二战期间研制并改进，随后变成民用雷达。雷达发送电磁信号，通常是微波，遇到雨滴、冰雹和雪花时就会返折回来；通过测算信号返回到雷达所需的时间及有多少信号返回来，科学家们可以算出降水区有多远，降水量有多大。
多普勒雷达在20世纪90年代被广泛使用，它利用返回信号的频率估测降水目标移动的速度——估测风吹动它们的速度。
在北美、欧洲和澳大利亚，人们经常收集从云层到地面闪电的资讯。它们用来区分和跟踪风暴以及森林大火的调查，还用在航空和其他领域。美国气象网站约有100组雷达天线网，探测云层到地面的脉冲信号的角度或到达的时间，每年都有两千万次以上这样的冲击。
首次从地球到太空的想法改变了人们如何认识自己的家园，引发全球环境改变，也改变了气象学。从火箭拍摄的照片上表明全球云团网比人类预想的还要复杂。科学家们开始想象一种轨道卫星，它可以一直监视地球，到了20世纪60年代中期，科学家们的梦想实现了。卫星将地球拍成照片并在几分钟内发回信息。
基本有两种气象卫星：地面静止卫星即地球静止业务环境卫星，简称GDES；极地轨道卫星即极地控制环境卫星，简称POES。在地面静止轨道上，静止卫星距地面约22，000英里（35，000千米）的赤道上空，其运行速度与地球自转速度同步，几乎昼夜悬在一个地点上。地球余下区域由极地轨道卫星监测，它沿着从北到南一圈一圈地重复运行，每两小时在极地附近经过一次。
电视气象播报的卫星图片通常是地面静止卫星拍摄的照片，尽管白天也可见到它们，但常用红外线冲洗。从地球表面扩散的红外线可用来估测空气中的水汽。这是因为当红外线的波长达到6.7微米时，水汽极易吸收能量。水汽越多，来自地球的红外线在未到达卫星之前就越多地被吸收掉了。红外线释放也可用来测评云顶部的温度，它与风暴关系十分密切。
微波数据有许多特殊功能，由于微波可以穿透云层而丢失的能量少，例如，贯穿行星的冰和雪的出现是可以被跟踪的，因为结冻的水与陆地和液态的水所散发的微波频率不一样。
卫星寿命仅有几年——这给科学家发射新卫星提供革新的机会。经过过去20年的发展，人类对大气层的了解更广泛了，南极“臭氧空洞”每年的增减均已得到的监控，是根据从同温层到它上方的极地轨道卫星所反射的紫外线照射量而定。美国于1995年发射一种探测器用以监测云内部和从云到地面的闪电，测量结果表明：闪电还不及科学家们所料想的一半。一些卫星甚至携带雷达设备进入太空。这些设备是测量洋面的高度（水温的指数），以及大海的风暴潮（海面风速指南）。
人们常观测天气，但全球性的气象图每天只安排两次，即在世界时0000点和1200点——全球公认的24小时制。无线电探空仪也被发射，全套外表观测全都完成，全球各主要气象台站共同使用这种数据。所绘出的图表明在不同等压面（如在850，700和500毫巴）的风力，也表明来自无线电探空仪记录的温度、湿度和气压高。要详细审查这些数据，因为即使少数错误的观测，一旦进入计算机预测系统，就会造成严重损失。专门设计的软件查找在一般气象图中不相应的观测。类似的作法可以调节数据，使它们适应地图网格。这些格点被用于模式中用以由目前天气推断将来天气的形势。
来自无线电探空仪的数据在图表上用标点标注，被称作热力探测。每次探测表明在某一指定地点上空从地面到对流层顶部温度和湿度的追踪调查。挨着探测是表示每个高度的风向和风速的箭头，标记同水平气象图表一样。探测可以用来计算降雨量和湿度及形成暴风雨的能量、雷暴旋转，进而生成龙卷的可能性。
大部分国外制造的卫星用于研究而不是用来预测天气。卫星在大气层不同的高度测量温度以弥补全球无线电探测网的不足。这种情况在海洋和南半球上空很正常，因为那里的无线电探测网太少了。
查天气图
在二战期间雷达首次应用于军事领域。他们试图用无线电光束的反射找到敌机，但由于雨水造成纷乱的反射而影响了他们的计划。当科学家们看到这种混乱情形时，他们却十分兴奋。因为他们找到了一种可以探测云后隐藏物质的一种仪器。几年后，雷达成为研究风暴的标准工具。科学家甚至用雷达，发现了云层上空气流循环和地面上龙卷风旋转的关系。
常规雷达有其局限性，当风暴移动时，雷达观测仪的反射波（微波返回）也会移动，但风暴内部的运动因巨大的白色水滴而大部分消失。但在20世纪50年代，研究人员研制一种新式雷达，叫作多普勒雷达。它可探测云内部的运动，现在，多普勒雷达在提高天气预报能力方面起到重要的作用，可以预测短期强风暴发展的情况。
雷达释放微波，被空中的物质返弹回来。多普勒雷达在反射微波时，可以明察波频中微小的变化。如果一滴雨水射向雷达，它所反射波频就会增加；反之当水滴离雷达越来越远，波频就会下降。这种波频规律是由澳大利亚物理学家多普勒于1842年发现的。他解释为什么火车汽笛在火车开近时声音很大而火车离开时声音减弱的原因。起初，多普勒雷达十分笨重。计算机也无法承担数据的运算过程。到了20世纪70年代，龙卷风研究者们用多普勒雷达测出几次风暴。到了20世纪80年代初，科学家用多普勒雷达群展示暴风雨的三维结构，解释了威胁飞机微爆炸的存在。
多普勒雷达也可帮助气象预报者们测量降雨量。最新的雷达还可对洪水做精确预报。通过对多普勒雷达实行极化，研究人员们可一一辨别出垂直和水平的反射波。它同使太阳镜极化达到消除强光刺激的方法一样。气象专家们依据垂直，和水平波的对比测定雨滴的大小：
垂直与水平波返回的比例也依赖雨滴的大小。因为雨滴在变得越来越大时也会变得越来越平。科学家们也可以辨别大雨滴和冰雹，因为冰雹比汉堡包形状的雨滴更圆。
多普勒雷达还在不断完善，发现也不断涌现。自20世纪80年代末，风暴跟踪人员使用便携式多普勒雷达从龙卷风的起始云层中找出形成风的细微变化。自1996年，跟踪者们把雷达带到飓风内部，测出了以前的仪器无法测出的迷人的风旋。新揭示的现象还有待解释。
天气预测
试图预测天气的人们，其工作费力不讨好。很少有科学预测不受到嘲笑，因为天气预报一出现差错，其难堪可想而知。然而，尽管许多人抱怨所出的差错，人们还是看新闻，了解早上出门时该不该带伞。
现代气象预测是建立在16世纪末至18世纪的科学家们所创建的理论基础之上的。像艾萨克·牛顿和罗伯特·玻意耳这样的观测者们得出空气热胀冷缩基本理论，以及物质和能量守恒，还有大气运动时产生的力的有关理论。其他观测者们注重观察日复一日的天气这一现实。
19世纪兴起的观测网，电报汇报速度使气象观测者们穿越中纬地区，向东前行，查出高压区和低压区。
19世纪，气象预报人员们试图用所谓持续性方法预测天气，他们认为，风暴运动的速度及方向通常是持续的。许多怀疑论者认为不可信赖预测天气，但天气预测越来越得人心，不久国家气象服务部门也成立了。到1900年，美国和欧洲各报上都刊登地图和天气预报。