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気象学は、地球の大気と短期的な大気現象（つまり天気）を科学的に研究する学問であり、天気予報に重点を置いています。[ 1 ]軍事、航空、エネルギー生産、輸送、農業、建設、気象警報、災害管理などに応用されています。
気象学は、気候学、大気物理学、大気化学、高層大気学とともに、より広範な大気科学分野を構成しています。地球の大気と海洋の相互作用（特にエルニーニョ現象とラニーニャ現象）は、学際的な水文気象学の分野で研究されています。その他の学際的な分野には、生物気象学、宇宙天気、惑星気象学などがあります。海洋天気予報は、大気と大きな水域との相互作用に基づいて、気象学を海上および沿岸の安全に関連付けます。
気象学者は、太陽放射、地球の自転、海流、その他の要因によって引き起こされる気象現象を研究します。これには、雲、降水、風のパターンといった日常的な天候だけでなく、熱帯低気圧や激しい冬の嵐といった深刻な気象現象も含まれます。こうした現象は、気温、気圧、湿度などの変数を用いて定量化され、それを用いて局地的（微視的）、地域的（中規模および総観規模）、そして地球規模での天気予報が行われます。気象学者は、温度計、気圧計、風向計（地表での測定用）といった基本的な機器に加え、気象衛星、気球、偵察機、ブイ、レーダーといった高度な機器を用いてデータを収集します。世界気象機関（WMO）は、気象研究の国際的な標準化を保証しています。
気象学の研究は数千年前に遡ります。古代文明は、民間伝承、占星術、宗教儀式を通して天気を予測しようとしました。アリストテレスの論文「気象学」は、この分野の初期の観察をまとめたもので、中世初期にはほとんど進歩しませんでしたが、ルネサンス期にアルハゼンとルネ・デカルトがアリストテレスの理論に異議を唱え、科学的方法を強調したことで復活しました。18世紀には、正確な測定ツール（気圧計や温度計など）が開発され、最初の気象学会が設立されました。19世紀には、広範囲にわたって電信に基づく気象観測ネットワークが形成されました。 [ 2 ] 20世紀には、高度な衛星およびレーダー技術と組み合わせた数値天気予報（NWP）により、高度な予測モデルが導入されました。[ 3 ]その後、コンピュータは膨大なデータセットをリアルタイムで処理し、モデル方程式を自動的に解くことで、予測に革命をもたらしました。 21世紀の気象学は非常に正確で、ビッグデータとスーパーコンピューティングによって推進されています。機械学習、アンサンブル予測、高解像度の地球気候モデリングなどのイノベーションを採用しています。[ 4 ]気候変動によって引き起こされる異常気象は、予測と研究に新たな課題をもたらしますが、[ 5 ]大気の混沌とした性質のために固有の不確実性が残ります（バタフライ効果を参照）。[ 6 ]
気象学という言葉は、古代ギリシャ語の μετέωροςmetéōros (流星) と -λογία -logia ( -(o)logy ) に由来しており、 「天体および気象現象の研究」を意味します。[ 7 ]
初期の天気予報の試みは、予言や占いと関連していることが多く、時には占星術の考えに基づいていた。古代の宗教では、気象現象は神々の支配下にあると信じられていた。[ 8 ]年間の周期に基づいて雨や洪水を予測する能力は、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、人間によって明らかに利用されていた。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た。エジプト人は紀元前3500年頃にはすでに雨乞いの儀式を行っていた。 [ 8 ]
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。[ 9 ]サマヴェーダには特定の現象が観察されたときに行われる供犠についての記述がある。[ 10 ]ヴァラーハミヒラの古典作品であるブリハットサンヒター（紀元500年頃執筆）[ 9 ]には気象観測の証拠が示されている。
バビロニアの粘土板に刻まれた楔形文字碑文には、雷と雨の関連性が記されていた。カルデア人は22°と46°の光輪を区別していた。[ 10 ]
古代ギリシャ人は、天気に関する理論を最初に立てた人々でした。多くの自然哲学者が天気を研究しました。しかし、気象観測機器が存在しなかったため、その研究は主に定性的なものであり、より一般的な理論的推測によってのみ判断することができました。[ 8 ]： 8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ます。彼はバビロニアの春分表を研究しました。[ 8 ]： 11セネカによれば、彼はナイル川の毎年の洪水の原因は、北風が海への流れを妨げているためだと説明しました。[ 8 ]： 4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ることで発生し、それによって火花が散ると考えました。初期の気象理論では、一般的に大気中に火のような物質が存在すると考えられていました。アナクシマンドロスは風を空気の流れと定義しましたが、これは何世紀にもわたって一般には受け入れられませんでした。[ 8 ] : 5夏の雹を説明する理論は、アナクサゴラスによって最初に提唱されました。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ました。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結する高度まで上昇するとも指摘しました。[ 8 ] : 6エンペドクレスは季節の変化について理論を唱えました。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考えました。デモクリトスもナイル川の氾濫について書いています。彼は、世界の北部の雪は夏至に溶けると述べました。これにより水蒸気が雲を形成し、それが北風によってナイル川に運ばれると嵐を引き起こし、湖やナイル川を満たすことになります。[ 8 ] : 8ヒポクラテスは、天候が健康に及ぼす影響について調査しました。プリニウスによれば、エウドクソスは悪天候は4年周期で訪れると主張した。[ 8 ]： 9
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。 [ 8 ] : 11 [ 11 ]アリストテレスは気象学の創始者とみなされている。[ 12 ]『気象学』で記述されている最も印象的な業績の1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、2000年近くにわたって気象学の権威であり続けた。[ 13 ]
宇宙論（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。[ 14 ]
閃光を放つ物体が燃え上がり、激しく地上に落下する場合、それは雷と呼ばれます。半分だけ燃えているが、激しく巨大である場合は流星と呼ばれます。全く燃えていない場合は、煙を吐く雷と呼ばれます。これらはすべて、地上に急降下するため、「急降下雷」と呼ばれます。稲妻は煙を出すことがあり、その場合は「くすぶる稲妻」と呼ばれます。稲妻が素早く走ることがあり、その場合は「鮮やか」と言われます。また、稲妻が曲がりくねった線を描いて進むことがあり、その場合は「二股稲妻」と呼ばれます。稲妻が何かの物体に急降下するときは、「急降下稲妻」と呼ばれます。
アリストテレス以降、気象学の進歩は長い間停滞した。テオフラストスは、天気予報に関する書物『兆候の書』と『風について』を編纂した。彼は、1年までの期間の気象現象について数百の兆候を示した。[ 8 ] : 25彼の体系は、1年をプレアデス星団の昇降によって分割し、夏至と冬至、春分と秋分に分け、その期間の天候の連続性に基づいていた。彼はまた、天候の変化が起こる可能性に基づいて、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、日没に分けられ、夜もそれに合わせて分割され、これらの分割のいずれかで変化が起こりやすいとされた。[ 8 ] : 25これらの分割と年間の天候のバランスの原理を適用して、彼は、冬に雨が多く降れば春は通常乾燥するといった予報を思いついた。テオフラストスの著作には、犬が地面を転がるのは嵐の兆候であるといった、動物の行動に基づく規則も含まれている。流れ星や月も重要視されていた。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にのみ言及した。[ 8 ]： 26テオフラストスの著作は、約2000年にわたり天気予報において支配的な影響力を持ち続けた。[ 15 ]
気象学は数世紀にわたって研究・発展を続けてきたが、この分野で大きな進歩が見られたのは14世紀から17世紀にかけてのルネサンス期になってからだった。ガリレオやデカルトといった科学者たちが新たな手法や概念を導入し、気象学における科学革命へとつながったのである。
ナイル川の氾濫の原因に関する憶測は、プロクロスによればエラトステネスが、人間がナイル川の源流に行って雨を観察していたことは知られていたと述べたことで終結したが、その意味するところへの関心は続いた。[ 8 ]： 26
ローマ時代の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は雲と風が111マイルまで広がっていると主張していたが、ポセイドニオスは雲と風が5マイルまでしか広がらず、それより先は空気が澄んでいて、液体で、光っていると考えていた。彼はアリストテレスの理論に忠実に従っていた。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のあるアレクサンドリアに移った。西暦2世紀には、プトレマイオスの『アルマゲスト』が気象学を扱っている。これは、気象学が天文学のサブセット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与えた。[ 8 ]： 27彼は、日照によって気候帯に分けられた世界の地図を作成し、赤道と北極の間では、各ゾーンごとに夏至の長さが30分ずつ増加するとした。[ 8 ] : 28プトレマイオスは天体観測の文脈で光の大気屈折について書いた。 [ 16 ]
西暦25年、ローマの地理学者ポンポニウス・メラは気候帯システムを体系化した。[ 17 ]西暦63～64年、セネカは『自然に関する諸問題』を著した。これは古代ギリシアの諸理論をまとめたものである。しかし、セネカにとって神学が最も重要であり、雷などの現象は運命と結びついていると信じていた。[ 8 ]： 29大プリニウスの『博物誌』第2巻（第2章）は気象学を扱っている。彼は20人以上の古代ギリシアの著述家が気象学を研究したと述べている。彼自身は特に貢献しておらず、彼の著作の価値はセネカの著作と同様に、以前の推測を保存している点にある。[ 8 ]： 30
400年から1100年にかけて、ヨーロッパにおける科学的知識は聖職者によって継承された。セビリアのイシドールスは、 『語源論』、『被造物の秩序について』、『事物の本性について』の中で気象学にかなりの注意を払った。 703年に『事物の本性について』を著したベーダ尊者は、イギリス人として初めて気象について記述した人物である。この著作は、当時現存していた古典文献の要約であった。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な思考を持っていたが、聖書の記述を文字通りに解釈した。[ 8 ]： 30
イスラム文明は多くの古代作品をアラビア語に翻訳し、それらは西ヨーロッパに伝わり、ラテン語に翻訳された。 [ 8 ]： 31
9世紀、アル＝ディナワリは『キタブ・アル＝ナバト』（植物の書）を著し、その中でアラブ農業革命における農業への気象学の応用について論じている。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、湖などの大気現象について記述している。[ 18 ] [ 19 ]
1021年、アルハゼンは『Opticae thesaurus』の中で、大気の屈折が薄明の原因でもあることを示した。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、またこれに基づく幾何学的決定を用いて地球の大気の最大高度を52,000 passim（約49マイル、または79 km）と推定した。[ 20 ]
バースのアデラールは古典の初期の翻訳者の一人であった。彼はまた、著書『自然問題』の中で気象学の話題についても論じている。彼は、密度の高い空気が風という形で推進力を生み出すと考えていた。雷については、雲の中で氷が衝突することによって発生し、夏にはそれが溶けると説明した。13世紀には、アリストテレスの理論が気象学において再び優位性を確立した。その後4世紀の間、気象学の研究は概して注釈書が中心であった。1650年以前に『気象学』に関する注釈書が156冊以上書かれたと推定されている。[ 8 ]： 22
中世の思想においては、実験的証拠よりも古典や権威への依拠が重視された。13世紀、ロジャー・ベーコンは実験と数学的手法を提唱した。彼の著書『大著』では、大気は水、空気、火から構成されるというアリストテレスの理論を、光学と幾何学的証明によって補完した。彼は、プトレマイオスの気候区分は地形に合わせて調整する必要があると指摘した。[ 8 ]： 33
アルベルトゥス・マグヌスは、降雨の各滴が小さな球形をしており、この形状から虹は光が各雨滴と相互作用することによって生じると最初に提唱した。[ 21 ]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、虹の頂点は地平線から42度より高くは見えないと述べた。[ 22 ]
13世紀後半から14世紀初頭にかけて、カマル・アルディン・アルファーリスィーとフライベルクのテオドリックが、最初の虹現象について正しい説明を与えた。テオドリックはさらに進んで、二次虹についても説明した。[ 23 ]
16世紀半ばまでに、気象学は2つの流れに沿って発展した。一つは『気象学』に基づく理論科学、もう一つは占星術による天気予報である。自然の兆候に基づく疑似科学的な予報は人気を博し、教会や君主の庇護を受けた。これはレギオモンタヌス、レオナルド・ディッグス、ヨハネス・ケプラーといった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、ニコル・オレームは天気予報は可能だと考えていたが、その法則は当時知られていなかった。気象学における占星術の影響は18世紀まで続いた。[ 8 ]： 33
Gerolamo Cardano's De Subilitate (1550) was the first work to challenge fundamental aspects of Aristotelian theory. Cardano maintained that there were only three basic elements- earth, air, and water. He discounted fire because it needed material to spread and produced nothing. Cardano thought there were two kinds of air: free air and enclosed air. The former destroyed inanimate things and preserved animate things, while the latter had the opposite effect.[8]:36
René Descartes's Discourse on the Method (1637) typifies the beginning of the scientific revolution in meteorology. His scientific method had four principles: to never accept anything unless one clearly knew it to be true; to divide every difficult problem into small problems to tackle; to proceed from the simple to the complex, always seeking relationships; to be as complete and thorough as possible with no prejudice.[8]:37
In the appendix Les Meteores, he applied these principles to meteorology. He discussed terrestrial bodies and vapors which arise from them, proceeding to explain the formation of clouds from drops of water, and winds, clouds then dissolving into rain, hail and snow. He also discussed the effects of light on the rainbow. Descartes hypothesized that all bodies were composed of small particles of different shapes and interwovenness. All of his theories were based on this hypothesis. He explained the rain as caused by clouds becoming too large for the air to hold, and that clouds became snow if the air was not warm enough to melt them, or hail if they met colder wind. Like his predecessors, Descartes's method was deductive, as meteorological instruments were not developed and extensively used yet. He introduced the Cartesian coordinate system to meteorology and stressed the importance of mathematics in natural science. His work established meteorology as a legitimate branch of physics.[8]:37
In the 18th century, the invention of the thermometer and barometer allowed for more accurate measurements of temperature and pressure, leading to a better understanding of atmospheric processes. This century also saw the birth of the first meteorological society, the Societas Meteorologica Palatina in 1780.[24]
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、嵐を追跡することが可能になった。さらに、科学者たちは気象予測を行うために数学モデルを使用し始めた。20世紀には、レーダーや衛星技術が開発され、気象システムの観測と追跡能力が大幅に向上した。加えて、気象学者や大気科学者たちは、最初の天気予報や気温予測を作成し始めた。[ 25 ]
20世紀から21世紀にかけて、コンピュータモデルとビッグデータの出現により、気象学は数値解析手法とコンピュータシミュレーションへの依存度を高めてきました。これにより、天気予報と気候予測は大幅に改善されました。さらに、気象学は、大気質、大気化学、気候学といった他の分野にも拡大しました。観測、理論、計算技術の進歩により、より正確な天気予報が可能になり、気象パターンや大気汚染の理解も深まりました。現在では、天気予報と衛星技術の進歩に伴い、気象学は日常生活に不可欠なものとなり、航空、農業、災害管理など、さまざまな用途で活用されています。
In 1441, King Sejong's son, Prince Munjong of Korea, invented the first standardized rain gauge.[26] These were sent throughout the Joseon dynasty of Korea as an official tool to assess land taxes based upon a farmer's potential harvest. In 1450, Leone Battista Alberti developed a swinging-plate anemometer, and was known as the first anemometer.[27] In 1607, Galileo Galilei constructed a thermoscope. In 1611, Johannes Kepler wrote the first scientific treatise on snow crystals: "Strena Seu de Nive Sexangula (A New Year's Gift of Hexagonal Snow)".[28] In 1643, Evangelista Torricelli invented the mercurybarometer.[27] In 1662, Sir Christopher Wren invented the mechanical, self-emptying, tipping bucket rain gauge. In 1714, Gabriel Fahrenheit created a reliable scale for measuring temperature with a mercury-type thermometer.[29] In 1742, Anders Celsius, a Swedish astronomer, proposed the "centigrade" temperature scale, the predecessor of the current Celsius scale.[30] In 1783, the first hair hygrometer was demonstrated by Horace-Bénédict de Saussure. In 1802–1803, Luke Howard wrote On the Modification of Clouds, in which he assigns cloud types Latin names.[31] In 1806, Francis Beaufort introduced his system for classifying wind speeds.[32] Near the end of the 19th century the first cloud atlases were published, including the International Cloud Atlas, which has remained in print ever since. The April 1960 launch of the first successful weather satellite, TIROS-1, marked the beginning of the age where weather information became available globally.
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、大気の上には真空が存在すると推論した。[ 33 ] 1738年、ダニエル・ベルヌーイは『流体力学』を出版し、気体運動論を始め、気体理論の基本法則を確立した。[ 34 ] 1761年、ジョセフ・ブラックは氷が融解する際に温度を変えずに熱を吸収することを発見した。1772年、ブラックの弟子であるダニエル・ラザフォードは窒素を発見し、それをフロギストン空気と呼び、二人はフロギストン理論を発展させた。[ 35 ] 1777年、アントワーヌ・ラヴォアジエは酸素を発見し、燃焼の説明を発展させた。[ 36 ] 1783年、ラヴォアジエはエッセイ「フロギストンの考察」の中で[ 37 ]フロギストン説を否定し、熱量説を提唱した。[ 38 ] [ 39 ] 1804年、ジョン・レスリーはつや消しの黒い表面が磨かれた表面よりも効果的に熱を放射することを観察し、黒体放射の重要性を示唆した。1808年、ジョン・ドルトンは『化学の新体系』の中で熱量説を擁護し、それが物質、特に気体とどのように結びつくかを説明した。彼は気体の熱容量は原子量に反比例すると提唱した。1824年、サディ・カルノーは熱量説を用いて蒸気機関の効率を分析した。彼は可逆過程の概念を発展させ、自然界にはそのようなものは存在しないと仮定することで、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「磁気的な噴出物」によって引き起こされると提唱した。
1494年、クリストファー・コロンブスは熱帯低気圧に遭遇し、これがハリケーンに関するヨーロッパ人による最初の記録となった。[ 40 ] 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、太陽熱が大気運動の原因であることを明らかにした。[ 41 ] 1735年、貿易風の研究を通して地球規模の循環の理想的な説明がジョージ・ハドレーによって書かれた。[ 42 ] 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、サイクロンは周辺の風とは逆方向に動くと考えた。[ 43 ]地球の自転が気流にどのように影響するかという運動学の理解は、最初は部分的だった。ガスパール＝ギュスターヴ・コリオリは1835年に、水車などの回転部分を持つ機械のエネルギー収量に関する論文を発表した。[ 44 ] 1856年、ウィリアム・フェレルは中緯度に循環セルが存在すると提唱し、その内部の空気がコリオリの力によって偏向され、偏西風が生じるとした。 [ 45 ] 19世紀後半には、等圧線に沿った気団の動きは、気圧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た。1912年までに、この偏向力はコリオリ効果と名付けられた。[ 46 ]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が、中緯度低気圧の発生、強化、最終的な衰退（ライフサイクル）を説明するノルウェー低気圧モデルを開発し、気団間の明確な境界である前線の概念を導入した。[ 47 ]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）、トール・ベルジュロン（雨がどのように形成されるかを初めて解明した人物）、ヤコブ・ビャークネスが含まれていました。
16 世紀後半から 17 世紀前半にかけて、温度計、気圧計、湿度計、風速計、雨量計など、さまざまな気象観測機器が発明されました。1650 年代には、自然哲学者たちがこれらの機器を使って気象観測を体系的に記録し始めました。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ました。[ 48 ] 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ました。収集されたデータは定期的にフィレンツェに送られました。[ 49 ] 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支援しました。ヒポクラテスの論文『空気、水、場所』は、天候と病気を結びつけていた。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、そして気候と公衆衛生との相関関係を試みていた。[ 48 ]
啓蒙時代には、気象学は占星術気象学を含む伝統的な気象の伝承を合理化しようと試みた。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よって置き換えられると考えた。赤道から極に向かって高高度で暖かい空気が流れることで、循環の初期像が確立された。気象観測者の規律の欠如と機器の質の悪さに対する不満から、初期の近代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た。[ 48 ] 1832 年、シリング男爵によって電磁電信が作られた。[ 50 ] 1837年に電気電信が登場したことで、初めて広範囲から地上の気象観測を迅速に収集する実用的な方法が実現した。 [ 51 ]
このデータは、地球表面付近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とともにどのように変化したかを研究するために使用されました。これらのデータに基づいて頻繁に天気予報を行うには、信頼できる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・ヘンリーの指導の下、米国全土に観測ネットワークを確立し始めたのは1849 年になってからのことでした。[ 52 ]ヨーロッパでも同時期に同様の観測ネットワークが確立されました。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。[ 53 ] 「CKM」ダグラスとして知られるチャールズ・ケネス・マッキノン・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。 [ 54 ] 19 世紀の気象学の研究者は、専任の科学者として訓練されたのではなく、軍事または医学のバックグラウンド から選ばれました。[ 55 ] 1854年、英国政府はロバート・フィッツロイを貿易委員会の気象統計官という新しい役職に任命し、海上での気象観測の収集を任務とした。フィッツロイの事務所は1854年に英国気象庁となり、世界で2番目に古い国立気象機関となった（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ある）。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た。翌年には、強風が予想されるときに主要港に暴風警報コーンを掲げるシステムが導入された。
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。[ 56 ]
その後の 50 年間で、多くの国が国立気象局を設立しました。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ました。[ 57 ]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ました。[ 58 ]日本の東京気象台は、日本の気象庁の前身であり、1883 年に地上天気図の作成を開始しました。[ 59 ]アメリカ合衆国気象局(1890 年) は、アメリカ合衆国農務省の下に設立されました。オーストラリア気象局(1906 年) は、既存の州の気象サービスを統合するために気象法によって設立されました。[ 60 ] [ 61 ]
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、自然法則に基づく計算から天気を予測できるはずだと初めて主張した。[ 62 ] [ 63 ]
20 世紀後半になってようやく、大気物理学の理解の進歩が現代の数値天気予報の基礎となった。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でいたメモや導出を発見した後、「数値処理による天気予報」[ 64 ]を出版した。彼は、大気の流れを支配する予報流体力学方程式の小さな項を無視できること、そして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た。リチャードソンは、何千人もの人々が大きな講堂で計算を行うことを想像していた。しかし、必要な計算の数は電子計算機なしでは完了するには多すぎ、計算で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につながった。後に数値解析によって、これは数値不安定性によるものであることが判明した。
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。 [ 65 ]この方法で作成された最初の天気予報は順圧（単一鉛直レベル）モデルを使用しており、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うまく予測することができた。[ 66 ] 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。[ 67 ]
1960年代、大気の混沌とした性質がエドワード・ローレンツによって初めて観測され、数学的に記述され、カオス理論の分野が創設されました。[ 68 ]これらの進歩により、大気の混沌とした性質から生じる不確実性を考慮するために、現在ではほとんどの主要な予報センターでアンサンブル予報が使用されています。 [ 69 ]地球の長期的な天候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を持つように開発されています。これらの気候モデルは、温室効果ガスの人為的排出によってどのような影響が生じる可能性があるかなど、長期的な気候変動を調査するために使用されます。
気象学者は気象学の分野で研究や仕事をする科学者です。[ 70 ]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。[ 71 ]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、公益事業、ラジオ局やテレビ局、教育機関などで働いています。米国では、2018年に気象学者の雇用数は約10,000人でした。[ 72 ]
天気予報や警報は気象学者が一般向け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。彼らの多くは、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」といった、規制のない肩書きを使っています。アメリカ気象学会と全米気象協会は、一定の要件を満たした天気予報キャスターに「認定証」を発行していますが、これはメディアに採用されるための必須条件ではありません。
それぞれの科学分野には、独自の実験装置があります。大気には、測定可能な多くの要素や性質があります。いつでもどこでも観察できる雨は、歴史的に最初に測定された大気の性質の一つです。また、風と湿度も正確に測定できる性質です。これらはどちらも目には見えませんが、感じることができます。これら3つを測定するための装置は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ための適切な装置を製作する試みが数多く行われていました。その多くは何らかの点で欠陥があったり、単に信頼性が低かったりしました。アリストテレスでさえ、彼の著作の中で、空気の測定の難しさについて言及しています。
地表観測データは気象学者にとって重要なデータです。これらは、特定の場所における様々な気象状況のスナップショットを提供し、通常は気象観測所、船舶、または気象ブイで行われます。気象観測所で行われる測定には、様々な大気観測値が含まれます。一般的に、温度、気圧、風速、湿度は、それぞれ温度計、気圧計、風速計、湿度計によって測定される変数です。[ 73 ]専門の観測所には、大気質センサー（一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、オゾン、粉塵、煙）、雲底計（雲の天井）、降水量センサー、洪水センサー、雷センサー、マイクロフォン（爆発音、ソニックブーム、雷鳴）、日射計／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、放射性降下物、ラドン）、地震計（地震と微動）、透過率計（視程）、およびデータ記録用のGPS時計も含まれる場合があります。高層気象データは、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手法は、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データ収集ネットワークが組織されています。
気象学で使用されるリモートセンシングは、遠隔地の気象現象からデータを収集し、その後気象情報を生成する概念です。リモートセンシングの一般的なタイプは、レーダー、ライダー、衛星（または写真測量）です。それぞれが遠隔地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します。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射するため、受動的ではありません。[ 74 ]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、幅広い現象を研究するための不可欠なツールとなっています。
大気の研究は、時間スケールと空間スケールの両方に応じて、いくつかの異なる分野に分けられます。このスケールの極端な例の一つが気候学です。数時間から数日の時間スケールでは、気象学は微視的、中規模、総観規模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的な大きさは、それぞれ対応する時間スケールに直接関係しています。
その他の細分類は、それらの細分類内における特有の、局所的な、あるいは広範な影響を説明するために用いられる。
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流は、このスケールでモデル化されます。[ 76 ]ミソスケール気象学は非公式な細分化です。
メソスケール気象学は、水平スケールが 1 km から 1000 km の範囲で、垂直スケールが地球表面から始まり、大気境界層、対流圏、対流圏界面、成層圏の下部を含む大気現象の研究です。大気プロセスの水平スケールを分類するためのメソアルファ、メソベータ、メソガンマという用語は、イシドロ・オルランスキーによってメソスケール気象学の分野に導入されました。[ 77 ]メソスケールの時間スケールは、1 日未満から数週間まで続きます。通常関心のある現象は、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によって生成される気象システムです。[ 78 ]
総観規模の気象学は、時間的にも空間的にも、最大 1000 km および 10 5秒 ~ (2.8 日) のスケールでの大気の変化を予測します。総観規模では、移動する気団 (熱帯以外) に作用するコリオリ加速度が予測において支配的な役割を果たします。総観気象学で一般的に記述される現象には、温帯低気圧、傾圧トラフとリッジ、前線帯、そしてある程度はジェット気流などの現象が含まれます。これらはすべて、通常、特定の時間の天気図に示されます。総観現象の最小水平スケールは、地上の観測所間の間隔に制限されます。[ 79 ]
地球規模気象学は、熱帯から極地への熱輸送に関連する気象パターンを研究する学問です。このスケールでは、非常に大規模な振動が重要となります。これらの振動は、マッデン・ジュリアン振動のように数ヶ月、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といった周期で発生します。地球規模気象学は、気候学の領域にまで踏み込んでいます。気候の伝統的な定義は、より長い時間スケールに拡張され、より長い時間スケールの地球規模振動を理解することで、気候や気象擾乱に対するその影響を、総観規模および中規模スケールの予測に含めることができるようになります。
数値天気予報は、大気と海洋の相互作用、熱帯気象、大気の予測可能性、および対流圏/成層圏のプロセスを理解する上で主要な焦点となっています。[ 80 ]カリフォルニア州モントレーにある海軍研究所は、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、各国の気象機関によって運用されています。
物理気象学は、大気の物理的性質、プロセス、現象を研究します。大気熱力学とエネルギー伝達の基本原理、太陽放射と地球放射（吸収、反射、散乱）を網羅しています。雲物理学は、エアロゾル、降水形成、大気湿潤プロセスの研究と並んで、もう1つの重要な研究分野です。この分野では、大気内の光学的、電気的、音響的効果もさらに調査します。混合、乱流、摩擦などの地表付近のプロセス、およびそれらと大気の物理的特性との関連性の理解も、その範囲に含まれます。[ 81 ] [ 82 ] [ 83 ]
動的気象学は、流体力学、熱力学、機械運動の原理を用いて、大気の運動とそれを支配する物理法則を研究する学問です。大気がなぜ動くのか、そしてその状態がどのように変化するのかを説明することを目的としています。ここでは、大気の挙動の基本的な分析単位は空気塊であり、これは大気の流体連続体における無限小の領域として定義されます。この重要な概念ツールにより、大気の離散的な分子および化学的性質から抽象化することができます。温度、密度、圧力などは、この大気連続体内で固有の値を持つ重要な物理量とみなされます。これらは大気の状態を特徴づけます。[ 75 ]
総観気象学は、広範囲にわたる特定の瞬間の大気の状態を診断することに重点を置いています。この分野では、同時に観測された気象条件を表示するさまざまな天気図の作成が含まれます（そのため、「総観」という用語は「一緒に見る」という意味です）。このような地図の例としては、高層気象図、気象図、雲の動きの衛星画像などがあります。気象学者は、これらの図の詳細な分析を通じて、大規模な風と気圧のシステム、および大気循環と地域の地表環境との複雑な関係を理解することを目指します。この分野の主な目的は、これらの初期条件から、通常は数時間から数日先の大気の変化を予測することです。最終的な目標は、地域または観測所ベースの予報の作成を支援することです。[ 84 ] [ 85 ] [ 86 ]
境界層気象学は、大気境界層（ABL）として知られる、地球表面直上の空気層におけるプロセスを研究する学問です。表面の影響 （加熱、冷却、摩擦）により、空気層内で乱流混合 が生じます。 1日未満の時間スケールでの熱、物質、運動量の大きな移動は、乱流運動によって引き起こされます。 [ 87 ]境界層気象学には、気象学の研究のために、海洋、湖、都市部、非都市部など、あらゆる種類の地表と大気の境界の研究が含まれます。
天気予報とは、科学技術を応用して、将来の特定の場所における大気の状態を予測することです。人類は何千年もの間、非公式に天気を予測しようと試みてきましたが、少なくとも19世紀以降は公式に試みてきました。 [ 88 ] [ 89 ]天気予報は、大気の現在の状態に関する定量的データを収集し、大気過程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ます。[ 90 ]
かつては気圧の変化、現在の気象条件、空の状態に基づいて主に人間が行っていた予測は、現在では将来の状況を決定するために予測モデルが使用されています。 [ 91 ] [ 92 ] 予測モデルは、予測の基となる最良の予測モデルを選択するために依然として人間の入力が必要であり、これ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、およびモデルのバイアスに関する知識が含まれます。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、および大気プロセスの不完全な理解により、現在の時刻と予測が行われる時刻の差（予測範囲）が大きくなるにつれて予測の精度が低下します。アンサンブルとモデルのコンセンサスを使用することで、誤差を縮小し、最も可能性の高い結果を選択することができます。[ 93 ] [ 94 ] [ 95 ]
天気予報にはさまざまな用途があります。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。[ 96 ]気温と降水量に基づく予報は農業にとって重要であり、[ 97 ] [ 98 ] [ 99 ] [ 100 ]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、電力会社が今後数日間の需要を予測するために使用されます。[ 101 ] [ 102 ] [ 103 ]日常生活では、人々は何を着るかを決めるために天気予報を使用します。屋外活動は豪雨、雪、風冷えによって大幅に制限されるため、予報はこれらのイベントに合わせて活動を計画したり、事前に計画を立ててそれらを乗り切るために使用できます。
航空気象学は、天候が航空交通管理や飛行運航に与える影響を扱います。航空乗務員にとって、飛行計画や飛行中の安全に影響を与える気象条件を理解することは重要です。 [ 104 ]乱気流、着氷、雷雨、視界不良などの気象現象は航空にとって大きな危険であり、世界中の標準化されたパイロット訓練カリキュラムに含まれています。[ 105 ]インドでは、民間航空総局（DGCA）が気象学をパイロット免許試験の必須科目として含めています。[ 106 ]
気象学者、土壌科学者、農業水文学者、農学者は、天候や気候が植物の分布、作物の収量、水利用効率、植物や動物の発育の季節性、管理された生態系や自然生態系のエネルギーバランスに及ぼす影響を研究する人々です。逆に、彼らは植生が気候や天候に及ぼす役割にも関心を持っています。[ 107 ]
水文気象学は、気象学の一分野で、水循環、水収支、嵐の降雨統計を扱います。[ 108 ]水文気象学者は、累積降水量（量的降水）、豪雨、大雪の予報を作成・発表し、鉄砲水が発生する可能性のある地域を強調します。通常、必要とされる知識の範囲は、気候学、メソスケールおよび総観気象学、その他の地球科学と重複します。[ 109 ]
海上気象学は、海上を航行する船舶のための気象予報と波浪予報を扱います。海洋予報センター、ホノルル国立気象局予報事務所、英国気象庁、KNMI（オランダ国立海洋研究所）、 JMA （日本気象庁）などの機関が、世界の海洋における外洋予報を作成しています。
軍事気象学とは、軍事目的のために気象学を研究し応用する学問である。米国では、海軍気象海洋司令部が海軍と海兵隊の気象活動を統括し、空軍気象局が空軍と陸軍の気象活動を担当している。
環境気象学は、主に気温、湿度、風、および様々な気象条件といった気象パラメータに基づいて、産業汚染物質の拡散を物理的および化学的に分析する学問である。
再生可能エネルギーにおける気象学の応用には、基礎研究、「探査」、風力発電および太陽光発電のための風力と日射量の潜在的なマッピングが含まれる。
天気は国境を越える地球規模の現象です。正確な天気予報を作成するには、各国の気象機関がリアルタイムの観測データを共有し、大気の全体像を把握する必要があります。[ 111 ] 1950年、世界気象機関が設立され、加盟国の気象・水文機関間でデータ、情報、研究の「自由かつ無制限な」交換が促進されました。[ 112 ] [ 113 ]
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