Le osservazioni meteorologiche, effettuate presso le stazioni meteorologiche, sono condotte in superficie ed in quota.

Le osservazioni meteorologiche effettuate alla superficie terrestre comprendono la misurazione della pressione atmosferica, della temperatura, dell’umidità, della direzione e della velocità del vento, della quantità e della altitudine delle nubi, della visibilità e dell’intensità delle precipitazioni sotto forma di pioggia o di neve.

Un osservatorio meteorologico, di solito, è costruito in un’area aperta, nella quale è minima l’influenza di edifici o di alberi.

Gli strumenti più comuni in esso presenti sono il barometro o barografo, termometri vari (a mercurio, a massima e minima, a minima), lo psicrometro, l’anemometro e banderuola segnavento, il pluviometro e altri strumenti più specifici e meno conosciuti.

Certi strumenti devono essere schermati dalle radiazioni solari; tra questi il barometro o barografo, che misura la pressione atmosferica, lo psicrometro, che misura l’umidità relativa ed il punto di rugiada, ed i termometri a mercurio e a massima e a minima, che forniscono la temperatura effettiva dell’aria ed i valori minimi e massimi della temperatura durante la giornata. Essi si trovano, perciò, all’interno di una capannina meteorologica (o schermo di Stevenson).

La correttezza dell’esposizione durante le misure è, probabilmente, anche più importante della precisione e dell’attendibilità delle misure degli strumenti. Un termometro non schermato, a esempio, assorbirà la luce diretta o diffusa e conseguentemente indicherà una temperatura più elevata dell’effettiva temperatura dell’aria.

A proposito di fallaci misurazioni di temperatura, si può citare il caso di quei pannelli giganti che misurano con cifre luminose l’ora, alternandola con la misura di temperatura. Si trovano spesso sulle sommità di palazzi di città.

Se il sensore che rileva la temperatura non è stato ben isolato dai raggi del sole e posto lontano dalle murature, la temperatura rilavata sarà falsata dall’irraggiamento della costruzione stessa, per cui il valore di temperatura mostrato potrà risultare superiore a quello effettivo dell’aria. Se invece si avrà cura di non esporre il termometro ai raggi del sole, ponendolo in una posizione ben ventilata, il dato che si andrà a leggere sul termometro approssimerà abbastanza fedelmente la reale temperatura dell’aria. Proprio per questo l’Organizzazione Meteorologica Mondiale (O. M. M.), ha stilato delle norme per la corretta rilevazione dei dati di temperatura dell’aria.

Innanzi tutto, come già detto, tutti gli strumenti destinati a questo tipo di misurazione devono essere ospitati nella cosiddetta capannina meteorologica. Essa è un contenitore di legno, dotato di un tetto spiovente a doppio isolamento. La scelta del legno, invece che, ad esempio del metallo è dovuta alla caratteristica isolante di questo materiale naturale. Il legno è un cattivo conduttore di calore, per cui, esposto ai raggi del sole, si riscalderà comunque, ma solo esternamente, mentre all’interno quel calore assorbito verrà trasmesso con difficoltà. Anche il fondo come il tetto sarà a doppia parete. Per favorire la circolazione dell’aria all’interno del contenitore, le pareti dello stesso dovranno essere costituite da doppia persiana. Inoltre, tutta la capannina dovrà essere verniciata di bianco, e non per motivi estetici, ma perché il bianco assorbe meno le radiazioni solari e ci appare bianco proprio perché evidenzia un’alta riflettività. Deve essere posta ad un’altezza di circa 2 metri rispetto al suolo, costituito da un prato con erba bassa e non da cemento o asfalto, che per il loro elevato assorbimento di calore potrebbero influenzare dal basso gli strumenti contenuti nella capannina.

Un accorgimento fondamentale è rappresentato dall’insediamento della capannina rispetto ai punti cardinali. L’apertura della capannina deve essere orientata verso il nord: così facendo si eviterà che al momento della lettura, il sole possa colpire direttamente gli strumenti, considerando che il suo moto apparente in cielo si compie da est verso ovest, ove tramonta.

Al fine d’evitare che gli strumenti possono essere influenzati da fondi di calore, l’osservatore dovrà compiere l’operazione di lettura il più rapidamente possibile, essendo egli un generatore di calore. Talvolta, ascoltando in televisione le temperature registrate, ci sembra che siano discordanti con le nostre sensazioni. Una calda giornata estiva ci è sembrata insopportabilmente afosa, mentre le temperature riportate in tivù non erano poi così mostruosamente elevate. Questo accade proprio perché in città la presenza dell'asfalto e del cemento contribuisce ad elevare la temperatura dell’aria, anche a causa di una scarsa ventilazione dovuta alla presenza di costruzioni. Le temperature che, invece, sono state diffuse dal mezzo televisivo sono quelle registrate in un capannina lontano da ogni influenza esterna, e quindi scientificamente valide ed effettivamente rappresentative dalla massa d’aria insistente su quell’area.

In inverno accade che le temperature rilevate in città risultano più elevate di quelle registrate nella capannina proprio perché le nostre città sono abbondantemente riscaldate, ed è inevitabile che l’aria ne risulti in qualche modo influenzata.

È ovvio che una temperatura corretta non si potrà mai ricavarla dal termometro appeso in casa, in quanto quel termometro riporterà solo la temperatura dell’aria di casa. Se si vuole ottenere una lettura approssimata dell’aria, si dovrà posizionare il termometro all’esterno della casa, rivolto preferibilmente verso nord per evitare l’esposizione diretta ai raggi solari. Solo così facendo si potrà ottenere una temperatura che si avvicina a quella reale dell’aria.

Allo stesso modo uno strumento come un pluviometro o un anemometro che sia istallato troppo vicino ad alberi ed edifici darà anch’esso una misura errata.

Finché le misurazioni dei venti, dell’umidità della temperatura e della pressione vengono limitate alla superficie terrestre, le nostre conoscenze delle condizioni atmosferiche, anche per poter fare delle previsioni, restano decisivamente modeste.

Bisogna, infatti, conoscere le caratteristiche dell’aria alle diverse quote, se si vuole avere un quadro completo degli eventi atmosferici. Ciò può avvenire attraverso mezzi quali le radiosonde, i ricognitori, i radar, i razzi e soprattutto i satelliti.

Le radiosonde non sono altro che un insieme compatto e leggero di strumenti istallati a bordo di palloni-sonda capaci di misurare la temperatura, l’umidità e la pressione ed intervalli regolari di tempo, nel corso dell’ascensione del pallone stesso, che è pieno di gas elio e privo di equipaggio, verso quote che possono toccare i 30 – 40 km. Tutta la strumentazione è collegata a un piccolo trasmettitore ad alta frequenza, che serve per inviare alle stazioni riceventi di terra il risultato delle misurazioni effettuate. Un radiogoniometro, inoltre, segue la traiettoria del pallone, cosicché, misurando la posizione della radiosonda a intervalli prefissati, si possono ricavare i dati sulla velocità e la direzione del vento alle varie quote. Alla fine il pallone brucia nell’aria rarefatta delle zone più alte dell’atmosfera, mentre gli strumenti vengono paracadutati automaticamente a terra.

Per ottenere osservazioni in quote si impiegano anche speciali velivoli aerei attrezzati con strumenti meteorologici per effettuare voli di ricognizione nell’atmosfera. I ricognitori vengono utilizzati specialmente quando uragani e tifoni minacciano aree densamente popolate e invitati a localizzare il centro, o occhio, della tempesta e a seguire precise misurazioni del vento, della temperatura, della pressione, dell’umidità sulle regioni coinvolte.

Il radar, impiegato in origine come strumento di navigazione aerea e marittima di notevole importanza, si è rivelato poi di grande utilità anche nel rilevare le condizioni meteorologiche. Infatti gli schermi dei radar sono sensibili alle gocce di pioggia, ai fiocchi di neve e agli strati d’aria caratterizzati da temperature e concentrazioni d’umidità variabili. Il radar è stato impiegato con successo come strumento di rilevazione e di registrazione delle piogge e delle tempeste, poiché è in grado di rilevare la presenza di alterazioni atmosferiche a centinaia di km di distanza.

I razzi meteorologici vengono usati attualmente allo scopo di ampliare le osservazioni dell’atmosfera al di sopra dei limiti ai quali si spingono i palloni che, come detto, sono in grado di portare gli strumenti soltanto a una trentina di km di altezza.

Nel loro complesso i mezzi descritti hanno consentito di allargare la <<visuale>> dei meteorologi su aree sempre più vaste della superficie terrestre e alle diverse quote atmosferiche. Ma anche queste tecniche convenzionali di osservazione meteorologica in quota stanno rapidamente diventando inadeguate. Le moderne teorie sulla circolazione atmosferica danno un’enorme importanza all’unità globale dell’atmosfera: essa è nel suo insieme un’unica massa d’aria e le alterazioni che si producono in una parte di essa possono interessare regioni anche lontane. Sono quindi necessari dati relativi a tutto il globo per formulare delle previsioni a lungo termine anche su scala unicamente regionale. Tuttavia la maggior parte delle stazioni meteorologiche convenzionali, anche quelle che impiegano i mezzi sopra descritti, sono localizzate prevalentemente nelle zone temperate del nord America, dell’Europa e dell’Estremo Oriente, per cui vaste aree oceaniche sono quasi ignorate dall’osservazione convenzionale. Alcune navi meteorologiche sono mantenute operative con grande dispendio economico, ma varare un numero di navi sufficiente per un’adeguata copertura del solo emisfero settentrionale avrebbe costi assolutamente proibitivi.

Uno dei metodi di maggiore successo per l’osservazione integrale dell’atmosfera si avvale dei satelliti meteorologici in grado di seguire costantemente dell’alto l’evolversi di sistemi nuvolosi e di darci un panorama dell’intero pianeta.

I satelliti meteorologici sono satelliti artificiali dotati di sensori per controllare dall’alto i principali parametri dell’atmosfera. Il principale è il radiometro che rileva l’emissione elettromagnetica nelle bande della luce visibile e dell’infrarosso (radiazione termica). I dati raccolti dai satelliti meteorologici comprendono l’estensione e l’altezza della copertura nuvolosa, la temperatura superficiale delle terre e delle superfici marine, la distribuzione e la velocità dei venti in quota, la variazione verticale dell’umidità e della temperatura dell’aria, la traiettoria di cicloni extratropicali e tropicali. Essi effettuano riprese fotografiche che forniscono a tutte le stazioni meteorologiche opportunamente attrezzate nitide immagini degli andamenti della nuvolosità e delle tempeste.

In base al tipo di orbita, i satelliti meteorologici si dividono in due grandi categorie: satelliti a orbite polari e satelliti geostazionari. I primi sono "eliosincroni", operano ciò è sempre nelle medesime condizioni d’illuminazione; i secondi, posti in orbite equatoriali a 36000 km di altezza ruotano alla stessa velocità angolare del pianeta. Alle categorie dei satelliti geosincroni attualmente operativi appartiene il satellite europeo, il METEOSAT, le cui immagini vengono proposte quotidianamente nelle rubriche televisive che forniscono le previsioni del tempo.