気象学

気象学は、気象予報を主な焦点とする大気科学（大気化学および物理学を含む）の一分野である。気象学の研究は数千年前に遡るが、気象学における大きな進歩は 18 世紀になってから始まった。19 世紀には、広い地域に気象観測ネットワークが形成され、この分野では緩やかな進歩が見られた。それ以前の天気予報の試みは、過去のデータに依存していた。物理法則が解明され、特に 20 世紀後半にコンピューターが開発されて初めて（多くのモデリング方程式の自動解法が可能になった）、天気予報に大きな進歩がもたらされた。天気予報の重要な分野は海洋および沿岸の安全に関係する海洋天気予報であり、ここでの天気の影響には、大規模な水域と大気の相互作用も含まれる。

気象現象は、気象学の科学によって説明される観測可能な気象イベントです。気象現象は、地球の大気の変数（温度、気圧、水蒸気、質量流量）と、これらの変数の変動と相互作用、および時間経過に伴う変化によって説明および定量化されます。さまざまな空間スケールを使用して、ローカル、地域、および地球レベルで天気を説明および予測します。

気象学、気候学、大気物理学、大気化学は、大気科学のサブ分野です。気象学と水文学は、水文気象学の学際的な分野を構成しています。地球の大気と海洋の相互作用は、海洋大気結合システムの一部です。気象学は、軍事、エネルギー生産、輸送、農業、建設など、さまざまな分野に応用されています。

気象学という言葉は、古代ギリシャ語の μετέωρος metéōros (流星) と -λογία -logia ( -(o)logy ) に由来し、「空高くにあるものの研究」を意味します。

初期の天気予報の試みは、予言や占いと関係していることが多く、占星術の考えに基づいていることもありました。古代の宗教では、気象現象は神々が制御していると信じられていました。^[1]年間の周期に基づいて雨や洪水を予報する能力は、少なくとも農業が始まった頃から、あるいはそれ以前から人間によって利用されていたようです。初期の天気予報のアプローチは占星術に基づいており、司祭によって実践されていました。エジプト人は紀元前3500年には早くも雨を降らせる儀式を行っていました。 ^[1]

古代インドのウパニシャッドには雲や季節についての記述がある。^[2]サマヴェーダには特定の現象が観察されたときに捧げ物を捧げるべきと書かれている。 ^[3] ヴァラーハミヒラの古典『ブリハトサンヒタ』は西暦500年頃に書かれたもので、^[2]気象観測の証拠を提供している。

バビロニアの粘土板に刻まれた楔形文字には、雷と雨の関係が記されている。カルデア人は22°と46°のハローを区別していた。^[3]

古代ギリシャ人は、天気についての理論を最初に立てた人々である。多くの自然哲学者が天気を研究した。しかし、気象観測機器が存在しなかったため、調査は主に定性的なもので、より一般的な理論的推測によってしか判断できなかった。^[4] ヘロドトスは、タレスが紀元前585年の日食を予言したと述べている。彼はバビロニアの春分点表を研究した。^{[5]セネカによると、彼は}ナイル川の毎年の洪水の原因は、北風が海からの川下りを妨げるためであると説明した。 ^[6] アナクシマンドロスとアナクシメネスは、雷と稲妻は空気が雲にぶつかって炎が燃え上がることで発生すると考えていた。初期の気象理論では、一般に大気中に火のような物質があると考えられていた。アナクシマンドロスは風を空気の流れと定義したが、これは何世紀にもわたって一般に受け入れられなかった。^[7]夏の雹を説明する理論は、アナクサゴラスによって初めて提唱された。彼は高度が上がるにつれて気温が下がり、雲には水分が含まれていることを観察した。また、熱によって物体が上昇するため、夏の日の熱によって雲が水分が凍る高度まで運ばれることにも気づいた。^[8] エンペドクレスは季節の変化について理論を立てた。彼は、大気中で火と水が互いに対立し、火が優勢になると夏になり、水が優勢になると冬になると信じていた。デモクリトスはナイル川の洪水についても書いている。彼は、夏至には世界の北部の雪が溶けると述べた。これにより蒸気が雲を形成し、北風によってナイル川に運ばれると嵐が発生し、湖とナイル川が満たされる。^[9] ヒポクラテスは天候が健康に与える影響について調査した。プリニウスによれば、エウドクソスは悪天候が4年周期で続くと主張した。^[10]

これらの初期の観察は、紀元前350年に書かれたアリストテレスの『気象学』の基礎となった。 ^{[11] [12]}アリストテレスは気象学の創始者と考えられている。^[13] 『気象学』で述べられている最も印象的な業績の一つ​​は、現在水循環として知られているものの記述である。彼の研究は、ほぼ2,000年にわたって気象学の権威であり続けた。^[14]

『世界について』 （紀元前250年以前、または紀元前350年から200年の間に書かれた）には次のように記されている。^[15]

閃光体が燃え上がり、激しく地球に突進してくる場合は、雷と呼ばれます。半分だけ火がついているが、激しく、重い場合は、流星と呼ばれます。完全に火がない場合は、煙を発する稲妻と呼ばれます。これらはすべて、地球に急降下するため、「急降下する稲妻」と呼ばれます。稲妻は煙を発することがあり、その場合は「くすぶる稲妻」と呼ばれます。また、すばやく突進する場合は、鮮明であると言われます。また、曲がった線を描いて進む場合は、二股の稲妻と呼ばれます。稲妻が何かの物体に急降下する場合は、「急降下する稲妻」と呼ばれます。

アリストテレスの後、気象学の進歩は長い間停滞していた。テオプラストスは天気予報に関する『兆候の書』と『風について』という本を編纂した。彼は1年までの気象現象の兆候を何百も示した。^[16]彼のシステムは、1年をプレアデス星団の沈みと昇りで分割し、夏至と冬至と春分に半分ずつ分け、それらの期間の天気が続くことに基づいていた。彼はまた、天候の変化が起きそうな順に、月を新月、4日目、8日目、満月に分けた。1日は日の出、午前中、正午、午後中頃、日没に分け、それに対応する夜の区分があり、これらの区分のいずれかで変化が起きそうだった。^[17]これらの区分と年間の天候のバランスの原則を適用して、彼は、冬に雨が多く降ると春は通常乾燥する、といった予報を思いついた。動物の行動に基づいた規則も彼の著作に見られる。例えば、犬が地面に転がるのは嵐の前兆である。流れ星や月も重要と考えられていた。しかし、彼はこれらの現象を説明しようとはせず、アリストテレスの方法のみを参照した。^[18]テオプラストスの著作は、2000年近くも天気予報に大きな影響を与え続けた。^[19]

気象学は何世紀にもわたって研究され、発展してきましたが、この分野で大きな進歩が遂げられたのは、14 世紀から 17 世紀のルネサンスになってからでした。ガリレオやデカルトなどの科学者が新しい方法や考え方を導入し、気象学における科学革命が起こりました。

プロクロスによれば、ナイル川の洪水の原因についての憶測は、エラトステネスが、人類がナイル川の水源に行って雨を観察していたことは知られていると述べたことで終わったが、その意味についての関心は続いた。^[20]

ローマ帝国の時代、ギリシャとヨーロッパでは、気象学に対する科学的関心は薄れていった。紀元前1世紀には、ほとんどの自然哲学者が雲と風は111マイルまで広がると主張したが、ポセイドニオスは雲と風は5マイルまでで、それを超えると空気は澄み切って液体となり、明るくなると考えていた。彼はアリストテレスの理論に忠実に従った。紀元前2世紀末までに、科学の中心はアテネから、古代アレクサンドリア図書館があるアレクサンドリアに移った。紀元後2世紀には、プトレマイオスの『アルマゲスト』で気象学が扱われた。これは、気象学が天文学の一部であると考えられていたためである。彼はいくつかの占星術的な天気予報を行った。^[21]彼は、明るさによって気候帯に分けた世界地図を作成し、その中で、赤道と北極の間では、夏至の長さが1ゾーンごとに30分長くなるようにした。^[22]プトレマイオスは天文学的観測の文脈で大気中の光の屈折について書いた。 ^[23]

紀元25年、ローマの地理学者ポンポニウス・メラが気候帯システムを公式化した。 ^[24]紀元63～64年、セネカは『博物誌』を著した。これは古代ギリシャの理論を集大成したものだった。しかし、セネカにとって最も重要だったのは神学であり、雷などの現象は運命と結びついていると考えていた。^[25]プリニウスの『博物誌』の第2巻（第3章）は気象学を扱っている。彼は、20人以上の古代ギリシャの著者が気象学を研究したと述べている。彼は個人的な貢献はしておらず、彼の作品の価値はセネカの作品と同様に、以前の推測を保存していることにある。^[26]

400年から1100年まで、ヨーロッパの科学的知識は聖職者によって保存された。セビリアのイシドールスは『語源論』、『創造の秩序について』、『自然について』で気象学にかなりの注意を払った。ベーダは703年に『自然について』で天気について書いた最初のイギリス人である。この作品は当時存在していた古典的な資料を要約したものである。しかし、アリストテレスの著作は『気象学』を含め、12世紀まで大部分が失われていた。イシドールスとベーダは科学的思考を持っていたが、聖書の文言に忠実だった。^[27]

イスラム文明は多くの古代の著作をアラビア語に翻訳し、それが西ヨーロッパに伝わりラテン語に翻訳された。^[28]

9世紀、ディナワリーは『植物の書』を著し、アラブ農業革命期の農業への気象学の応用について論じた。彼は空の気象学的特徴、惑星と星座、太陽と月、季節と雨を示す月の満ち欠け、アンワ（雨の天体）、風、雷、稲妻、雪、洪水、谷、川、湖などの気象現象について記述している。^{[29] [30]}

1021年、アルハゼンは光学辞典の中で、薄明の原因は大気の屈折でもあることを示しました。彼は薄明は太陽が地平線から19度下にあるときに始まると推定し、これに基づいた幾何学的決定を使用して、地球の大気の最大高度を52,000パスシム（約49マイル、または79 km）と推定しました。^[31]

バースのアデラードは古典の初期の翻訳者の一人である。彼はまた、著書『自然に関する問題』で気象学の話題を論じている。彼は、濃い空気が風という形で推進力を生み出すと考えていた。彼は、雷は雲の中で氷が衝突して夏に溶けるためだと説明している。13世紀には、アリストテレス理論が気象学の優位性を取り戻した。その後4世紀にわたり、気象学の研究は概して注釈が中心であった。 1650年までに書かれた『気象学』の注釈は156冊以上あると推定されている。^[32]

中世の思想では、実験的証拠よりも古典や権威への訴えが重視された。13世紀、ロジャー・ベーコンは実験と数学的アプローチを提唱した。著書『オプス・マジュス』では、大気は水、空気、火で構成されているというアリストテレスの理論に光学と幾何学的証明を加えて従った。彼はプトレマイオスの気候帯は地形に合わせて調整する必要があると指摘した。^[33]

聖アルバート大帝は、降り注ぐ雨粒は小さな球形をしており、この形は虹が各雨粒と相互作用する光によって生成されることを意味していると最初に提唱した人物である。^[34] ロジャー・ベーコンは、虹の角度の大きさを最初に計算した人物である。彼は、虹の頂上は地平線から42度以上上には現れないと述べた。^[35]

13世紀後半から14世紀初頭にかけて、カマール・アルディーン・ファリシーとフライベルクのテオドリックが初めて主虹現象の正しい説明を行った。テオドリックはさらに進んで副虹についても説明した。^[36]

16世紀半ばまでに、気象学は2つの方向に発展した。メテオロギカに基づく理論科学と、占星術による天気予報である。自然の兆候による疑似科学的な予報が人気を博し、教会や諸侯の保護を受けた。これはヨハネス・ミュラー、レナード・ディッグス、ヨハネス・ケプラーなどの科学者によって支持された。しかし、懐疑論者もいた。14世紀、ニコラ・オレームは天気予報は可能だが、その法則は当時は不明であると信じていた。占星術の気象学への影響は18世紀まで続いた。^[37]

ジェロラモ・カルダーノの『昇華論』（1550年）は、アリストテレス理論の基本的な側面に異議を唱えた最初の著作である。カルダーノは、土、空気、水の3つの基本要素しかないと主張した。彼は、火は拡散するために物質を必要とし、何も生み出さないため、火を軽視した。カルダーノは、空気には自由空気と閉鎖空気の2種類があると考えていた。前者は無生物を破壊し、生物を保護するが、後者はその逆の効果があった。^[38]

ルネ・デカルトの『方法序説』（1637年）は、気象学における科学革命の始まりを象徴している。彼の科学的方法には4つの原則があった。真実であると明確にわかるもの以外は何も受け入れない、難しい問題はすべて小さな問題に分割して取り組む、単純なものから複雑なものへと進み、常に関係性を探す、偏見を持たずに可能な限り完全かつ徹底的である、というものである。^[39]

付録『流星』では、これらの原理を気象学に応用した。彼は地上の物体とそこから発生する蒸気について論じ、水滴と風から雲が形成され、雲が雨、雹、雪に溶けていくことを説明した。また、光が虹に与える影響についても論じた。デカルトは、すべての物体はさまざまな形と織り合わせの小さな粒子でできていると仮定した。彼の理論はすべてこの仮説に基づいていた。彼は、雨は雲が空気に収まりきらないほど大きくなることで起こると説明し、雲が溶けるほど空気が暖かくなければ雪になり、冷たい風に当たれば雹になると説明した。デカルトの方法は、先人たちと同様に演繹的だった。気象計器がまだ開発されておらず、広く使われていなかったためである。彼はデカルト座標系を気象学に導入し、自然科学における数学の重要性を強調した。彼の研究により、気象学は物理学の正当な一分野として確立された。^[40]

18世紀には温度計と気圧計が発明され、気温と気圧のより正確な測定が可能になり、大気のプロセスに対する理解が深まりました。この世紀には、1780年に世界初の気象学会であるパラティーナ気象学会が誕生しました。^[41]

19世紀には、電信や写真などの技術の進歩により、気象観測ネットワークが構築され、嵐を追跡できるようになりました。さらに、科学者は数学モデルを使用して天気を予測し始めました。20世紀にはレーダーと衛星技術が発達し、気象システムの観測と追跡能力が大幅に向上しました。さらに、気象学者と大気科学者は、最初の天気予報と気温予測を作成し始めました。^[42]

20 世紀と 21 世紀には、コンピュータ モデルとビッグ データの出現により、気象学は数値手法とコンピュータ シミュレーションにますます依存するようになりました。これにより、天気予報と気候予測が大幅に改善されました。さらに、気象学は、空気の質、大気化学、気候学などの他の分野を含むように拡大しました。観測、理論、計算技術の進歩により、これまで以上に正確な天気予報と、気象パターンと大気汚染の理解が可能になりました。現在では、天気予報と衛星技術の進歩により、気象学は日常生活に不可欠な部分となり、航空、農業、災害管理など多くの目的で使用されています。^[要出典]

1441年、世宗大王の息子で朝鮮の文宗大君が、世界初の標準化された雨量計を発明した。[ 43 ^]これらは、農民の収穫量に基づいて地租を算定するための公式の道具として、朝鮮王朝全土に送られた。1450年、レオーネ・バッティスタ・アルベルティが振動板式風速計を開発し、世界初の風速計として知られるようになった。^[44] 1607年、ガリレオ・ガリレイが温度計を製作した。1611年、ヨハネス・ケプラーが雪の結晶に関する最初の科学論文「六角形の雪の新年の贈り物」を執筆した。^[45] 1643年、エヴァンジェリスタ・トリチェリが水銀気圧計を発明した。^[44] 1662年、クリストファー・レン卿が機械式の自動排水式転倒マス式雨量計を発明した。1714年、ガブリエル・ファーレンハイトが水銀温度計で温度を測定するための信頼性の高い尺度を発明した。^[46] 1742年、スウェーデンの天文学者アンデルス・セルシウスが現在の摂氏温度尺度の前身となる「摂氏」温度尺度を提案した。^[47] 1783年、最初の毛髪湿度計がホレス・ベネディクト・ド・ソシュールによって実証された。1802～1803年、ルーク・ハワードが「雲の変化について」を執筆し、雲の種類にラテン語名を割り当てた。^[48] 1806年、フランシス・ボーフォートが風速を分類するシステムを発表した。^[49] 19世紀末には、最初の雲地図帳が出版されました。その中には、それ以来ずっと出版され続けている国際雲地図帳も含まれています。1960年4月に打ち上げられた最初の成功した気象衛星TIROS -1は、気象情報が世界中で利用可能になった時代の始まりを示しました。

1648年、ブレーズ・パスカルは、気圧が高度とともに低下することを再発見し、大気圏上には真空があると推論した。^[50] 1738年、ダニエル・ベルヌーイは『流体力学』を出版し、気体運動論の始まりを示し、気体理論の基本法則を確立した。^[51] 1761年、ジョセフ・ブラックは、氷が融解する際に熱を吸収しても温度が変化しないことを発見した。1772年、ブラックの弟子ダニエル・ラザフォードは窒素を発見し、これを「フロギストン化空気」と呼び、2人でフロギストン説を発展させた。^[52] 1777年、アントワーヌ・ラボアジエは酸素を発見し、燃焼の説明を発展させた。^[53] 1783年、ラボアジエはエッセイ「フロギストン論についての考察」^[54]でフロギストン説を否定し、熱量説を提唱している。^{[55] [56]} 1804年、ジョン・レスリーは、艶消しの黒い表面は磨かれた表面よりも効率的に熱を放射することを観察して、黒体放射の重要性を示唆した。1808年、ジョン・ドルトンは『新化学体系』で熱量理論を擁護し、それが物質、特に気体とどのように組み合わされるかを説明し、気体の熱容量は原子量に反比例して変化すると提唱した。1824年、サディ・カルノーは熱量理論を使用して蒸気機関の効率を分析し、可逆プロセスの概念を発展させ、自然界にはそのようなものは存在しないと仮定して、熱力学第二法則の基礎を築いた。1716年、エドモンド・ハレーは、オーロラは地球の磁力線に沿って移動する「磁気流出」によって引き起こされると示唆した。

1494年、クリストファー・コロンブスは熱帯低気圧に遭遇し、それがヨーロッパで初めてハリケーンに関する記録となった。^[57] 1686年、エドモンド・ハレーは貿易風とモンスーンの体系的な研究を発表し、太陽熱が大気の運動の原因であると特定した。^[58] 1735年、ジョージ・ハドレーは貿易風の研究を通じて地球の循環の理想的な説明を書いた。^[59] 1743年、ベンジャミン・フランクリンはハリケーンのために月食を見ることができなかったとき、低気圧はその周辺の風と逆方向に移動すると判断した。^[60]地球の自転が空気の流れにどのように影響するかについての運動学の理解は、最初は部分的であった。ガスパール＝ギュスターヴ・コリオリは1835年に水車などの回転部品を持つ機械のエネルギー収量に関する論文を発表した。^[61] 1856年、ウィリアム・フェレルは中緯度に循環細胞が存在し、その内部の空気がコリオリの力によって偏向され、偏西風が生じると提唱した。 ^{[62] 19世紀後半には、}等圧線に沿った気団の動きは、圧力傾度力と偏向力の大規模な相互作用の結果であると理解されるようになった。1912年までに、この偏向力はコリオリの力と名付けられた。 ^{[63]第一次世界大戦直後、}ヴィルヘルム・ビャークネス率いるノルウェーの気象学者グループは、中緯度サイクロンの発生、強化、および最終的な衰退（ライフサイクル）を説明するノルウェーサイクロンモデルを開発し、気団間の明確に定義された境界である前線の概念を導入した。^[64]このグループには、カール・グスタフ・ロスビー（流体力学の観点から大規模な大気の流れを初めて説明した人物）、トル・ベルジェロン（雨の形成方法を初めて決定した人物）、ヤコブ・ビャクネスが含まれていた。

16世紀後半から17世紀前半にかけて、温度計、気圧計、比重計、風速計、雨量計など、さまざまな気象計が発明された。1650年代には、自然哲学者がこれらの計器を使って気象観測を体系的に記録し始めた。科学アカデミーは気象日誌を作成し、観測ネットワークを組織した。^[65] 1654年、フェルディナンド2世・デ・メディチは、フィレンツェ、クティリアーノ、ヴァッロンブローザ、ボローニャ、パルマ、ミラノ、インスブルック、オスナブリュック、パリ、ワルシャワの気象観測所からなる最初の気象観測ネットワークを設立した。収集されたデータは、定期的にフィレンツェに送信された。^[66] 1660年代には、ロンドン王立協会のロバート・フックが気象観測者のネットワークを後援した。ヒポクラテスの論文『空気、水、場所』では、天候と病気が関連づけられていた。そのため、初期の気象学者は、気象パターンと伝染病の発生、気候と公衆衛生との相関関係を探ろうとした。^[65]

啓蒙時代の気象学者は、占星術気象学を含む伝統的な気象伝承を合理化しようとした。しかし、気象現象の理論的理解を確立しようとする試みもあった。エドモンド・ハレーとジョージ・ハドレーは貿易風を説明しようとした。彼らは、上昇する赤道上の加熱された空気の塊が、高緯度からの冷たい空気の流入に置き換わると推論した。高高度の暖かい空気が赤道から両極へ流れることで、循環の初期の図が確立された。気象観測者の規律の欠如と機器の品質の悪さに対する不満から、近代初期の国民国家は大規模な観測ネットワークを組織した。こうして、18世紀末までに、気象学者は大量の信頼できる気象データにアクセスできるようになりました。^[65] 1832年、電磁電信機がシリング男爵によって作成された。^{[67] 1837年に}電信機が登場したことで、初めて広範囲の地表気象観測データを迅速に収集する実用的な方法が可能になった。 ^[68]

このデータは、地球の表面近くの地域の大気の状態の地図を作成し、これらの状態が時間の経過とともにどのように変化したかを調べるために使用できます。これらのデータに基づいて頻繁に天気予報を行うには、信頼性の高い観測ネットワークが必要でしたが、スミソニアン協会がジョセフ・ヘンリーのリーダーシップの下で米国全土に観測ネットワークを構築し始めたのは1849年になってからでした。^{[69]ヨーロッパでも同様の観測ネットワークがこの時期に構築されました。ウィリアム}・クレメント・レイ牧師は、巻雲の理解とジェット気流の初期の理解において重要な役割を果たしました。^[70]チャールズ・ケネス・マッキノン・ダグラス、通称「CKM」ダグラスは、レイの死後に彼の論文を読み、気象システムの初期の研究を引き継ぎました。^[71] 19世紀の気象学者は、熱心な科学者として訓練された人ではなく、軍事や医療のバックグラウンドを持つ人が多かったです。^[72] 1854年、イギリス政府はロバート・フィッツロイを商務省気象統計官に任命し、海上での気象観測を任務としました。フィッツロイの事務所は1854年にイギリス気象庁となり、世界で2番目に古い国立気象機関となりました（オーストリアの中央気象地球力学研究所（ZAMG）は1851年に設立され、世界最古の気象機関です）。フィッツロイの事務所による最初の毎日の天気予報は、 1860年にタイムズ紙に掲載されました。翌年、強風が予想される場合に主要な港で暴風警報コーンを掲揚するシステムが導入されました。

フィッツロイは「天気予報」という用語を作り出し、科学的なアプローチと予言的なアプローチを区別しようとした。^[73]

その後50年間で、多くの国が国立気象サービスを設立した。インド気象局（1875年）は熱帯低気圧とモンスーンを追跡するために設立された。^{[74]フィンランド気象中央局（1881年）は}ヘルシンキ大学磁気観測所の一部から形成された。^[75]日本の東京気象台は気象庁の前身であり、1883年に地上天気図の作成を開始した。^[76]米国気象局（1890年）は米国農務省の下に設立された。オーストラリア気象局（1906年）は気象法により、既存の州気象サービスを統合するために設立された。^{[77] [78]}

1904年、ノルウェーの科学者ヴィルヘルム・ビャークネスは論文「力学と物理学の問題としての天気予報」の中で、自然法則に基づいた計算から天気を予測できるはずだと初めて主張した。^{[79] [80]}

20世紀後半になってようやく、大気物理学の理解が進み、現代の数値天気予報の基礎が築かれました。1922年、ルイス・フライ・リチャードソンは、第一次世界大戦中に救急車の運転手として取り組んだメモや導出を発見し、「数値処理による天気予報」^[81]を出版しました。彼は、大気の流れを支配する予測流体力学方程式の小さな項を無視する方法と、予測を可能にするために考案できる数値計算スキームについて説明しました。リチャードソンは、何千人もの人々が計算を行う大講堂を思い描いていました。しかし、必要な計算の数は電子計算機なしでは完了できないほど多く、計算に使用されるグリッドのサイズと時間ステップは非現実的な結果をもたらしました。しかし、数値解析により、これは数値不安定性によるものであることが後に判明しました。

1950年代から、コンピュータによる数値予報が可能になった。 ^[82]この方法で導き出された最初の天気予報は、順圧（単一鉛直レベル）モデルを使用し、中緯度ロスビー波の大規模な動き、つまり大気の低気圧と高気圧のパターンを正確に予測することができた。^[83] 1959年、英国気象庁は最初のコンピュータであるフェランティ・マーキュリーを受け取った。^[84]

1960年代に、エドワード・ローレンツが初めて大気のカオス的性質を観察し、数学的に記述して、カオス理論という分野を確立しました。^[85]これらの進歩により、現在ではほとんどの主要予報センターで、大気のカオス的性質から生じる不確実性を考慮するアンサンブル予報が使用されています。 ^[86]地球の長期的な天気を予測するために使用される数学モデル（気候モデル）は、今日では古い天気予報モデルと同じくらい粗い解像度で開発されています。これらの気候モデルは、人間による温室効果ガスの排出がどのような影響をもたらすかなど、長期的な気候の変化を調査するために使用されています。

気象学者は気象学の分野で研究し働く科学者です。^[87]アメリカ気象学会は権威ある電子気象用語集を発行し、継続的に更新しています。^{[88]気象学者は}政府機関、民間のコンサルティングおよび研究サービス、産業企業、公共事業、ラジオおよびテレビ局、教育の分野で働いています。米国では、2018年に気象学者は約10,000人の雇用を占めていました。^[89]

天気予報と警報は、気象学者が一般の人々に提供する最もよく知られた成果物ですが、ラジオやテレビの天気予報キャスターは必ずしもプロの気象学者ではありません。ほとんどの場合、彼らは正式な気象学の訓練をほとんど受けていない記者であり、気象専門家や気象予報士などの規制されていない肩書きを使用しています。アメリカ気象学会と全米気象協会は、特定の要件を満たす気象キャスターに「承認シール」を発行していますが、これはメディアに雇用されるために必須ではありません。

それぞれの科学には、独自の実験装置があります。大気中には、測定可能な多くの物や大気の性質があります。雨は、いつでもどこでも観察または見ることができ、歴史的に測定された最初の大気の性質の 1 つです。また、正確に測定される他の 2 つの性質は、風と湿度です。これらはどちらも目に見えませんが、感じることができます。これら 3 つを測定する装置は、15 世紀半ばに登場し、それぞれ雨量計、風速計、湿度計でした。15 世紀以前にも、多くの大気変数を測定するのに適切な装置を作成するための多くの試みがなされました。その多くは何らかの欠陥があったり、単純に信頼できなかったりしました。アリストテレスでさえ、空気を測定することの難しさとして、彼の作品のいくつかでこれを指摘しています。

地表計測のセットは気象学者にとって重要なデータです。これらは、1 つの場所におけるさまざまな気象条件のスナップショットを提供し、通常は気象観測所、船舶、気象ブイで行われます。気象観測所で行われる計測には、任意の数の大気観測可能値を含めることができます。通常、温度、圧力、風速、湿度は、温度計、気圧計、風速計、湿度計でそれぞれ計測される変数です。^[90]専門観測所には、空気質センサー（一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、オゾン、ほこり、煙）、雲高計（雲の天井）、降水量センサー、洪水センサー、雷センサー、マイク（爆発、ソニックブーム、雷）、日射計／日射日射計／分光放射計（IR/Vis/UVフォトダイオード）、雨量計／積雪計、シンチレーションカウンター（背景放射線、降下物、ラドン）、地震計（地震と揺れ）、透過率計（視程）、データロギング用のGPSクロックも含まれる場合があります。高層大気のデータは天気予報にとって非常に重要です。最も広く使用されている技術はラジオゾンデの打ち上げです。ラジオゾンデを補完するために、世界気象機関によって航空機による収集ネットワークが組織されています。

気象学で使われるリモートセンシングとは、遠く離れた場所での気象現象からデータを収集し、気象情報を作成するという概念である。リモートセンシングの一般的な種類は、レーダー、ライダー、衛星（または写真測量）である。それぞれが離れた場所から大気に関するデータを収集し、通常は機器が設置されている場所にデータを保存する。レーダーとライダーは、どちらも電磁放射を使用して大気の特定の部分を照らすため、受動的ではない。^{[91]気象衛星は、さまざまな高度で地球を周回するより汎用的な地球観測衛星とともに、森林火災から}エルニーニョ まで、さまざまな現象を研究するための不可欠なツールとなっている。

大気の研究は、時間と空間の両方のスケールに応じて異なる領域に分けることができます。このスケールの極端な例が気候学です。数時間から数日の時間スケールでは、気象学はミクロ、メソ、総観スケールの気象学に分かれます。これら 3 つのスケールの地理空間サイズは、それぞれ適切な時間スケールに直接関係しています。

その他のサブ分類は、それらのサブクラス内の固有、ローカル、または広範な影響を説明するために使用されます。

マイクロスケール気象学は、約1キロメートル（0.62マイル）以下のスケールでの大気現象の研究です。個々の雷雨、雲、建物やその他の障害物（個々の丘など）によって引き起こされる局所的な乱気流がこのスケールでモデル化されます。^[93]

メソスケール気象学は、水平スケールが1kmから1000km、垂直スケールが地球の表面から始まり、大気境界層、対流圏、対流圏界面、成層圏下部を含む大気現象の研究です。メソスケールの時間スケールは1日未満から数週間続きます。通常、対象となる現象は、雷雨、スコールライン、前線、熱帯および温帯低気圧の降水帯、山岳波や海陸風などの地形的に生成される気象システムです。^[94]

総観気象学は、時間と空間において最大1000 kmおよび10 ⁵秒（28日）のスケールで大気の変化を予測します。総観スケールでは、移動する気団（熱帯以外）に作用するコリオリの加速度が予測において主要な役割を果たします。総観気象学によって典型的に説明される現象には、温帯低気圧、傾圧気圧の谷や尾根、前線帯、ある程度はジェット気流などがあります。これらはすべて、通常、特定の時間の天気図上に表示されます。総観現象の最小水平スケールは、地上観測ステーションの間隔に制限されます。^[95]

地球規模の気象学は、熱帯から両極への熱の移動に関連する気象パターンの研究です。この規模では非常に大規模な振動が重要です。これらの振動の期間は、通常、マッデン・ジュリアン振動のように数か月単位、またはエルニーニョ南方振動や太平洋十年規模振動のように数年単位です。地球規模の気象学は気候学の領域にまで及びます。気候の従来の定義はより長い時間スケールにまで及び、より長い時間スケールの地球規模の振動を理解することで、その気候や気象の擾乱への影響を総観的および中規模の時間スケールの予測に含めることができます。

数値天気予報は、大気と海の相互作用、熱帯気象、大気の予測可能性、対流圏/成層圏のプロセスを理解する上で主な焦点です。^[96]カリフォルニア州モントレーの海軍研究所は、海軍運用全球大気予測システム（NOGAPS）と呼ばれる全球大気モデルを開発しました。NOGAPSは、米国軍の艦隊数値気象海洋学センターで運用されています。他の多くの全球大気モデルは、国立気象機関によって運用されています。

境界層気象学は、地球の表面の真上にある大気の層（大気境界層（ABL）として知られている）におけるプロセスを研究する学問である。表面の影響（加熱、冷却、摩擦）により、空気層内で乱流混合が 発生する。 1日未満の時間スケールでの熱、物質、または運動量の大きな移動は、乱流運動によって引き起こされる。 ^[97]境界層気象学には、気象学の研究のための海洋、湖、都市部、非都市部を含むあらゆる種類の地表-大気境界の研究が含まれる。

動的気象学は、一般的に大気の流体力学に焦点を当てています。大気の最小要素を定義するために、気塊の概念が使用されていますが、大気の個別の分子および化学的性質は無視されています。気塊は、大気の流体連続体における極小領域として定義されます。大気の研究には、流体力学、熱力学、および運動の基本法則が使用されます。大気の状態を特徴付ける物理量は、温度、密度、圧力などです。これらの変数は、連続体の中で固有の値を持ちます。^[92]

天気予報は、将来の特定の時間と場所における大気の状態を予測するための科学技術の応用である。人類は数千年にわたって非公式に天気を予測しようと試みてきたが、少なくとも19世紀以降は公式に予測するようになった。 ^{[98] [99]}天気予報は、現在の大気の状態に関する定量的なデータを収集し、大気のプロセスに関する科学的理解を用いて大気がどのように変化するかを予測することによって行われる。 ^[100]

かつては気圧の変化、現在の気象状況、空の状態に基づいて人間が行っていた予報モデルが、現在では将来の気象状況を判断するために使用されています。予報のベースと^なる最適な予報モデルを選択するには、パターン認識スキル、テレコネクション、モデルのパフォーマンスに関する^知識 、およびモデルバイアスに関する知識など、人間の入力が依然として必要です。大気の混沌とし​​た性質、大気を記述する方程式を解くために必要な膨大な計算能力、初期条件の測定に伴う誤差、大気プロセスの不完全な理解により、現在時刻と予報対象時刻（予報範囲）の差が大きくなるにつれて予報の精度が低下します。アンサンブルとモデルコンセンサスの使用は、誤差を狭め、最も可能性の高い結果を選択するのに役立ちます。^{[103] [104] [105]}

天気予報にはさまざまな最終用途があります。気象警報は生命と財産を守るために使用されるため、重要な予報です。^{[106]気温と}降水量に基づく予報は農業にとって重要であり、^{[107] [108] [109] [110]}そのため、株式市場の商品トレーダーにとっても重要です。気温予報は、公益事業会社が今後数日間の需要を見積もるために使用されます。^{[111] [112] [113]}日常的に、人々は天気予報を使用して何を着るかを決定します。大雨、雪、風の冷え込みにより屋外での活動が大幅に制限されるため、予報を使用してこれらのイベントに合わせて活動を計画し、事前に計画を立ててそれらを乗り切ることができます。

航空気象学は、気象が航空交通管理に与える影響を扱っています。^[114]航空乗務員にとって、気象が飛行計画と航空機に与える影響を理解することは重要であり、航空情報マニュアルには次のように記されています。^[115]

氷が航空機に与える影響は累積的であり、推力は低下し、抗力は増大し、揚力は減少し、重量は増加する。その結果、失速速度が増加し、航空機の性能は低下する。極端な場合、5分以内に翼の前縁に2～3インチの氷が形成されることがある。わずか1/2インチの氷で、一部の航空機の揚力は50パーセント減少し、摩擦抵抗も同じ割合で増加する。^[116]

気象学者、土壌科学者、農業水文学者、農学者は、植物の分布、作物の収穫量、水利用効率、動植物の発育の季節、人工生態系と自然生態系のエネルギー収支に対する天候と気候の影響を研究する人々です。逆に、彼らは植生が気候と天候に及ぼす役割にも興味を持っています。^[117]

水文気象学は、水文循環、水収支、暴風雨の降雨統計を扱う気象学の一分野である。^[118]水文気象学者は、降水量（量的）、大雨、大雪の積もる量を予報し、洪水の可能性がある地域を強調する。通常、必要とされる知識の範囲は、気候学、中規模および総観気象学、およびその他の地球科学と重複している。^[119]

この分野の多分野にわたる性質は、関連する各分野のツールやソリューションがわずかに異なる動作をしたり、異なるハードウェアおよびソフトウェアプラットフォームに最適化されていたり、異なるデータ形式を使用したりすることがあるため、技術的な課題につながる可能性があります。DRIHMプロジェクト^[120]など、この問題に対処しようとしている取り組みがいくつかあります。^[121]

核気象学は大気中の放射性 エアロゾルとガスの分布を研究する。 ^[122]

海上気象学は、海上を航行する船舶の空気と波の予報を扱います。海洋予報センター、ホノルル国立気象局予報室、英国気象庁、KNMI、JMAなどの組織が、世界の海洋の公海予報を作成しています。

軍事気象学は、軍事目的のための気象学の研究と応用です。米国では、米国海軍の司令官、海軍気象海洋学司令部が海軍と海兵隊の気象活動を監督し、米国空軍の空軍気象局が空軍と陸軍を担当しています。

環境気象学は、主に温度、湿度、風、さまざまな気象条件などの気象パラメータに基づいて、産業汚染の拡散を物理的および化学的に分析します。

再生可能エネルギーにおける気象学の応用には、風力および太陽エネルギーに関する基礎研究、「探査」、および風力および太陽放射の潜在的マッピングが含まれます。

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天気予報サイトについては天気予報をご覧ください。

• 空気質気象学 2009 年 7 月 25 日にWayback Machineにアーカイブ– 気象コンピュータ モデルを理解するために必要な気象学と空気質の基本概念を紹介するオンライン コース。学士レベルで書かれています。
• GLOBE プログラムは、Wayback Machineで 2023 年 5 月 11 日にアーカイブされています– (環境に役立つ地球規模の学習と観察) 学生のデータ収集と観察を通じて環境についてさらに学ぶために、学生、教師、科学研究コミュニティを結び付ける国際的な環境科学および教育プログラムです。
• 気象学用語集 2023年5月13日アーカイブ-アメリカ気象学会発行、上級読者向けの用語、方程式、概念の優れた参考書。
• ジェットストリーム – 天気に関するオンラインスクール 2023年5月11日アーカイブ-国立気象局
• 気象学について学ぶ 2006年7月11日アーカイブ-オーストラリア気象局
• 天気ガイドは、2017 年 2 月 24 日にWayback Machineにアーカイブされました– About.com の天気チュートリアルとニュース
• 気象学教育訓練（MetEd）Wayback Machineで2023年5月11日にアーカイブ– COMETプログラム
• NOAA 中央図書館 – アメリカ海洋大気庁
• 世界天気 2010 プロジェクト 2008 年 8 月 19 日アーカイブイリノイ大学アーバナ・シャンペーン校
• Ogimet – NOAA の無料サービスを通じて取得した、世界中の気象観測所からのオンラインデータ。2009 年 7 月 24 日にWayback Machineにアーカイブされました。
• 国立大気研究センターのアーカイブは気象学の歴史を記録している
• 天気予報と気候科学 2011年8月14日アーカイブ-イギリス気象庁
• 気象学 2018年1月29日アーカイブWayback Machine、BBCラジオ4でのウラジミール・ヤンコビッチ、リチャード・ハンビン、イバ・タウブとの討論（In Our Time、2003年3月6日）
• 気象に関するバーチャル展示会パリ天文台のデジタルライブラリのWayback Machineに2020年11月24日にアーカイブされました