Attraverso vari metodi di osservazione, i meteorologi raccolgono e analizzano i dati meteorologici per formulare le previsioni del tempo nel modo più preciso e accurato possibile. Le osservazioni meteorologie si compiono in superficie e in quota e comprendono tutte le operazioni mediante le quali si raccolgono i dati sullo stato dell'atmosfera. I parametri fondamentali che è necessario misurare per prevedere l'evoluzione del tempo sono la pressione atmosferica, la temperatura, l'umidità, la direzione e la velocità del vento, la nuvolosità e la quantità di precipitazioni.
Osservazioni in superficie
Le misurazioni sono effettuate in tutto il mondo in circa 15000 stazioni sinottiche di superficie poste a una distanza media l'una dall'altra di circa 100 km. Oltre alle stazioni in superficie vi sono circa 4000 boe oceaniche e migliaia di navi in rotta.
Le stazioni sinottiche italiane, distinte in stazioni di prima e di seconda classe, fanno parte del servizio meteorologico dell'Aeronautica militare e sono inquadrate nella rete sinottica internazionale.
Radar meteorologico di Teolo.
Osservazioni in quota
La rete per le osservazioni sinottiche in quota è costituita da circa 1400 stazioni che a intervalli di dodici (o di sei) ore lanciano fino a 30-35 km di altezza palloni riempiti di idrogeno ed elio, chiamati radiosonde, che raggiungono la massima altezza in circa 90 minuti. I palloni trasportano un piccolo equipaggiamento di sonde dotate di sensori per misurare i parametri atmosferici fondamentali. Dal percorso delle radiosonde si ricavano la velocità e la direzione del vento alle varie altezze.
I dati rilevati dalle radiosonde sono trasmessi via radio alla stazione ricevente a terra e, se il pallone scoppia per la diminuzione della pressione con l'altezza, un piccolo paracadute riporta le sonde a terra. Contribuiscono al rilevamento dei dati, difficili da ottenere sugli oceani, migliaia di navi, aerei in rotta e di satelliti.
I satelliti forniscono ingenti quantità di dati e di immagini in successione, nel campo del visibile e dell'infrarosso, sulle caratteristiche e il movimento dei corpi nuvolosi, consentendo di prevedere il tipo e la localizzazione delle precipitazioni.