研究測量和觀察地球大氣層的物理和化學過程的方法和手段的學科。測量和觀察的內容主要有大氣氣體成分及其濃度、氣溶膠粒子、大氣溫度、溼度、壓力、風、蒸發、降水、輻射能、雲、天氣現象、大氣能見度、大氣電學和光學現象等。氣象觀測包括地面氣象觀測、高空氣象觀測、大氣遙感和氣象衛星探測等。 氣象觀測常將全球或某個區域內的各種觀測專案組建成氣象觀測網來進行。觀測可分為兩大類：

①常規觀測網。一種長期穩定地進行觀測的全球性組織，為日常天氣預報積累氣候資料服務，它包括了全球的氣象觀測站、船舶站、氣象雷達站和氣象衛星接收站。

②專門觀測網。一種為特定研究內容設定的觀測系統，例如日本的暴雨實驗和美國的強風暴試驗的觀測網。它往往會使用較為特殊的儀器裝置以及制定專門的觀測規範。 一個較完整的現代化氣象觀測系統由觀測平臺、觀測儀器、資料收集和處理系統組成。①觀測平臺。根據特定的技術要求安裝或架設儀器的基點。如氣象觀測場 、氣象鐵塔、氣象船、海上浮標等屬於地面氣象觀測平臺；氣球、飛機、火箭和氣象衛星屬於高空氣象觀測平臺。②觀測儀器。一種將大氣物理和大氣化學要素轉變為可讀出輸出訊號的裝置，主要包括感應元件、轉換和傳輸部件以及輸出儀表3大部分。如氣壓表、溫度計、溼度表、氣象雷達等。