حاولت الحضارات الأولى مراقبة الطقس والتنبؤ به وحتى التأثير فيه. وغالبًا ما يُنسَب إلى الفيلسوف اليوناني أرسطو الفضل في كونه مؤسس علم الأرصاد الجوية. ومصطلح الأرصاد الجوية باللغة الإنجليزية (meteorology) مشتق من الكلمة اليونانية "meteoron"، والتي تعني "أي ظاهرة تحدث في السماء".كتب أرسطو أول دراسة رئيسية حول الغلاف الجوي بعنوان Meteorologica حوالي عام 350 قبل الميلاد، وظلت هذه الدراسة مرجعًا رئيسيًا في هذا المجال لما يقرب من 2,000 عام.

خلال القرن السابع عشر، شهدت الأرصاد الجوية ثورة علمية عندما طبَّق الفيلسوف وعالم الرياضيات الفرنسي رينيه ديكارت منهجه العلمي على هذا الموضوع. وعلى الرغم من أن نظريات ديكارت كانت تعتمد بشكل كبير على الاستنتاج؛ نظرًا لافتقار الأدوات الدقيقة الخاصة بالأرصاد الجوية، إلا أن هذه النظريات أسست علم الأرصاد الجوية كفرع معترف به من فروع الفيزياء.

مثَّل اختراع البارومتر (مقياس الضغط الجوي) والترمومتر (مقياس الحرارة) في القرن الثامن عشر نقطة تحول كبيرة في علم الأرصاد الجوية. حيث أتاحت هذه الأجهزة للخبراء قياس متغيِّرَين مهمَّين في الغلاف الجوي: الضغط الجوي ودرجة الحرارة. خلال هذا الوقت، طوَّر الخبراء أيضًا نماذج رياضية لتحسين دقة التنبؤات الجوية.

بحلول القرن التاسع عشر، أتاحت الابتكارات، مثل التلغراف، لخبراء الأرصاد الجوية تبادل المعلومات باستخدام شفرة مورس، ما أدى إلى تطوير أول خرائط حديثة للطقس. وقد قدَّمت هذه الخرائط عرضًا واسع النطاق لأنماط الطقس العالمية وأتاحت إجراء تنبؤات أكثر دقة بشأن الطقس.

في القرن العشرين، أدت التطورات في فيزياء الغلاف الجوي إلى تأسيس التنبؤات الجوية العددية الحديثة. اكتشف خبراء الأرصاد الجوية النرويجيون مفهوم الكتل الهوائية والجبهات، وهي الأسس التي يعتمد عليها التنبؤ بالطقس في يومنا هذا.

خلال الحربين العالميتين، ساهم العلماء في تطوير علم الأرصاد الجوية مع تزايد اعتماد العمليات العسكرية على فهم الظروف الجوية والتنبؤ بها. حتى الرادار، الذي تم اختراعه في الأصل لتتبُّع حركة الطائرات والسفن وسرعتها، تمّت إعادة توجيهه لتتبُّع اتجاه أنماط الطقس وسرعتها.

وبحلول خمسينيات وستينيات القرن العشرين، تمكَّنت الأقمار الصناعية ونماذج الحاسوب من مراقبة الضغط الجوي على نطاق عالمي وإجراء عمليات محاكاة قائمة على البيانات، ما أدى إلى إجراء توقعات أكثر دقة للطقس. يستخدم علم الأرصاد الجوية الحديث إصدارات متقدمة من هذه التقنيات لمراقبة الطقس والتنبؤ به في الوقت الفعلي تقريبًا.

تعتمد الشركات على توقعات الطقس لإدارة المخاطر. فصناعة الطيران، على سبيل المثال، تستخدم بيانات الطقس مثل سرعة الرياح وهطول الأمطار لتخطيط الرحلات الجوية وتتبُّعها. تأخذ المؤسسات التي لديها أساطيل من المركبات معلومات الطقس في الاعتبار للتأكد من عدم إرسال أسطولها إلى عاصفة. وتعتمد شركات مرافق الخدمات على أدوات ذكاء الموقع لإجراء توقعات الطقس مثل تقنية LiDAR لإدارة شبكات الطاقة والتنبؤ بالأحمال الكهربائية وتقليل المخاطر المحتملة لاندلاع حرائق الغابات.

يمكن لخبراء الأرصاد الجوية المساعدة على التنبؤ بالآثار الضارة للظواهر الجوية القاسية والتخفيف من حدتها. يأتي هذا في وقت بلغت فيه الأضرار الناجمة عن الكوارث الطبيعية العالمية 380 مليار دولار أمريكي من الخسائر الاقتصادية في عام 2023.¹

باستخدام نماذج المناخ العالمي، يمكن لخبراء الأرصاد الجوية أيضًا تتبُّع التوجهات المناخية المستمرة مثل درجة حرارة الأرض. وفقًا لفريق العمل المعني بالإفصاحات المالية المتعلقة بالمناخ (TCFD)، فإن هذه الظروف المناخية المتغيرة لها أيضًا آثار مالية محتملة على جوانب مختلفة من البيئة والأعمال والمجتمع. ويُعَد فهم هذه المخاطر المناخية وبناء القدرة على التكيف مع المناخ أمرًا بالغ الأهمية حيث تعمل دول العالم معًا لمكافحة تغير المناخ وتحقيق صافي انبعاثات صفري.

تتراوح الظواهر المجهرية في الحجم من بضعة سنتيمترات إلى بضعة كيلومترات. وهي ذات جدول زمني قصير، عادةً أقل من يوم واحد. تؤثر هذه الظواهر في مناطق جغرافية صغيرة وعلى درجات الحرارة والتضاريس في تلك المناطق. ومن الأمثلة عليها انتقال الحرارة بين التربة والغطاء النباتي، وحركة ملوثات الهواء وجودة الهواء.

تتراوح الظواهر متوسطة الحجم من بضعة كيلومترات إلى ما يقرب من 1,000 كيلومتر ويمكن أن تستمر من أقل من يوم إلى عدة أسابيع. وتتكون من ظاهرتين: مجمعات الحمل الحراري متوسطة الحجم (MCC) وأنظمة الحمل الحراري متوسطة الحجم (MCS). يتحول بخار الماء إلى هطول الأمطار ويظهر على شكل نظام سحابي منفرد ينتج عنه هطول أمطار غزيرة، يُصنَّف على أنه نظام سحابي كبير (MCC)، أو مجموعة أصغر من العواصف الرعدية، تُصنَّف على أنها (MCS).

تغطي الظواهر الجوية على المقياس العام مساحة تمتد لعدة مئات إلى آلاف الكيلومترات ويمكن أن تستمر لمدة تصل إلى 28 يومًا. وهي مكونة من نظامَي الضغط المرتفع والمنخفض. في نظام الضغط المنخفض، يتم سحب الرياح والرطوبة إلى نظام الضغط المرتفع، ويؤدي هذا إلى تسريع الحمل الحراري وينتج عنه ظروف مناخية أكثر قسوة. تتميز أنظمة الضغط المرتفع بحركة رأسية هبوطية وعادةً ما ينتج عنها طقس أكثر جفافًا وأقل عاصفة.

تُشير الظواهر العالمية إلى تدفق الرياح والحرارة والرطوبة من المناطق الاستوائية إلى القطبَين. ودوران الغلاف الجوي العالمي (GAC) هو النمط واسع النطاق الذي يوزِّع الحرارة عبر سطح الأرض. يحتوي كل نصف كرة على ثلاثة أنواع من تيارات الحمل الحراري، أو الخلايا: خلايا هادلي وخلايا فيريل والخلايا القطبية. غالبًا ما يركِّز خبراء الأرصاد الجوية على خلايا هادلي؛ لأن لها التأثير الأكبر في الدوران العام للغلاف الجوي (GAC) ويمكن أن تحدد تدفق الرياح التجارية التي تستخدمها السفن.

يمكن تثبيت أطباق الرادار على البالونات الجوية والطائرات والقوارب وغيرها. وهي تستخدم أجهزة استشعار لنقل موجات الراديو، والتي تجمع معلومات مثل بُعد السحابة وسرعتها واتجاهها. ينشر الرادار ثنائي الاستقطاب نبضات موجية أفقية ورأسية، ما يوفر قدرات أفضل للتنبؤ بالطقس. ويمكن أن تكون هذه الرؤى ذات قيمة عند تحليل المخاطر المناخية لتحسين تدابير السلامة في صناعة الطيران، على سبيل المثال.

تلعب الأقمار الصناعية دورًا حاسمًا في مراقبة التغيرات الجوية والتنبؤ بظواهر الطقس على النطاق العالمي. وتُعد كلٌّ من الإدارة الوطنية للملاحة الجوية والفضاء (ناسا) والإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA) منظمتَين تديران أقمارًا صناعية بيئية تشغيلية ثابتة المدار. تجمع هذه الأقمار الصناعية بيانات جغرافية مكانية قيّمة يمكن تصورها باستخدام أنظمة المعلومات الجغرافية. وبالإضافة إلى أنماط الطقس، توفر هذه الأقمار الصناعية أيضًا قدرات الاستشعار عن بُعد لمساعدة المزارعين على إدارة المحاصيل وتحسين استخدام المياه. 

في الوقت الحالي، تُعد النمذجة الحاسوبية واحدة من أكثر الطرق موثوقية ودقة لخبراء الأرصاد الجوية في التنبؤ بأنماط الطقس. تتكون نماذج الكمبيوتر من رموز وخوارزميات مختلفة، والتي تعالج مساحات كبيرة من بيانات الأرصاد الجوية وتحوِّلها إلى توقعات تُعرَف باسم نماذج الطقس. تتغير هذه النماذج وفقًا لمدخلات معينة، ما يسمح لخبراء الأرصاد الجوية بتعديل توقعاتهم حسب الحاجة. كما يمكن لمسؤولي الصحة العامة استخدام تقنيات مماثلة لتوقع الأمراض ومراقبتها.