大氣現象 （meteor），是是大氣中冷、熱、乾、濕、風、雨、雷、電、雲霧、光等各種物理狀態和物理現象的總稱。大氣現象研究以大自然為實驗基地，並氣象觀測為基礎。
氣象學是研究大氣現象，特別是對流層和平流層下層的大氣現象的學科。氣象學對短期內即日常的溫度、濕度、氣壓、風、雲量和降水的變化及其原因進行系統的研究，為天氣預報提供依據。
氣象觀測就是對各種氣象要素冷、熱、乾、濕、風、雲、雪、霜、霧、雷、光等進行系統、連續的觀察與測定，並對獲得的記錄行初步整理的過程。它包括地面氣象觀測、高空氣象觀測、大氣遙感和氣象衛星探測等。氣象觀測除了為天氣預報提供日常資料外，還通過長期積累和統計，加工成氣候資料，為農業、林業、工業、交通、軍事、水文、醫療衛生和環境保護等部門進行規劃、設計和研究，提供重要的數據。採用大氣遙感探測和高速通信傳輸技術組成的災害性天氣監測網，已經能夠十分及時地直接向用戶發布龍捲風、強風暴和颱風等災害性天氣警報。大氣探測技術的發展為減輕或避免自然災害造成的損失提供了條件。
大氣的定義
大氣是包圍著地球的空氣。受地球引力作用,空氣呈圈層包圍著地球。它是混合氣體，無色無味，通常人們看不見它的存在。大氣的主要成分是氧和氮，而其他氣體，如氫、二氧化碳、臭氧和水汽等，只占大氣體積總量的百分之一。大氣具有重量，那么它就必然存在著壓力。我們把單位面積上所承受大氣柱的重量稱為大氣壓強，即氣壓。氣壓通常有兩種表示方法：即毫米和毫巴。在標準狀態下，當時的大氣壓強與760毫米水銀柱所產生的壓強相等，而760毫米氣壓又相當於1013.25毫巴。在太陽光譜中，波長較短的如紫、藍、青等顏色的光波最容易被大氣分子和微粒散射出來。波長較長的如紅、橙、黃等顏色的光波透射力最強，它們能透過大氣分子而保持原來的前進方向。這樣光波的分離作用就發生了，而顏色也就出現了。
基本原理
天氣現象主要源於不同地方的溫度差異。從大的尺度來看，接近赤道的地區單位面積接收到的太陽能總的來說比其他地區大。從較小的尺度來看，不同的下邊界（如地面和海洋）由於不同的物理性質，吸收太陽能的效率也不同。
溫度差異會導致氣壓差異。若某個表面的溫度較高，表面上的空氣就會被加熱並膨脹上升，表面處的氣壓就會降低，周圍的空氣會來補充，於是空氣運動產生風。另外科里奧利力會影響氣流的運動方向。許多複雜的天氣現象都源於這樣一個簡單的系統，好比海陸風。
天氣密度（溫度和濕度）是由一個地方和另一個之間的差異 。這些差異可能是由於從熱帶太陽的角度在任何特定地點，由不同緯度。極地和熱帶空氣之間的強烈的溫度反差引起的噴流 。在天氣系統中緯度地區，如溫帶氣旋，造成噴流流的不穩定性 。由於地球的軸是相對於它的軌道平面傾斜，陽光是在一年中不同時期的不同角度的事件。在地球表面的溫度範圍40°C（100°F至-40°F）的一次。幾千年來，地球軌道上的變化影響地球接收的太陽能量和分布，並影響長期氣候和全球氣候變化。
表面溫度反過來的差異造成的壓力差。天氣預報是科學和套用技術，預測國家未來某個時間和位置的大氣。天氣是一個混沌系統，系統內部分微小的變化，可以影響整體。貫穿人類歷史，人類有時試圖控制天氣，有證據表明，人類活動（如農業和工業）在不經意間改變天氣模式。
研究其他行星上的天氣有助於了解地球上的天氣。太陽系著名的地標－木星的大紅斑，是一種反氣旋風暴，已知有至少有300年的歷史。然而，天氣並不限於行星。廣義的天氣可以包含整個星系空間中氣體(氣態及離子態的元素)的變化，恆星的日冕不斷的噴發，在整個太陽系創造一個本質上非常稀薄的氣層。 可以說，太陽風這種太陽大規模噴出的運動，也是一種太陽系內的天氣。
氣象學的發展
氣象學的發 在19世紀後期氣球首次到達16公里的高度之前，氣象觀測人員只能主要依賴他們從地面所能得知的情況。這些資料中大多數是定性的。亞里斯多德的巨著“氣象學”（成書於公元前約350年）是那個時代的傑作。直到亞里斯多德死後2000年左右，即1593年前後伽利略發明溫度表及1643年托里拆利發現氣壓表原理之後，才首次進行了儀器測定並將記錄保存了起來。歷史最長的是在巴黎自1664年以來一直連續地記錄的測值。美國最長的記錄是它1779年以來在索至狄格州紐哈芬市所保存的記錄。
對來自不同地點的天氣觀測資料進行比較，得出了天氣系統移動的概念。1743年在傑明·富蘭克林使用郵件收集到天氣報告去跟蹤猛烈風暴的路經。他發現雖然沿大西洋海岸的風是從東北方向吹來的，但許多風暴到達波士頓要比到這費城晚一些。觀測台站網和19世紀初電報的發明使得天氣體利益可以根據廣大地區同一時間取得的觀測資料進行繪製。不久人們認識到了空氣在順時針向和反時針向的巨大旋渦中運動，它們覆蓋著直徑達500—I000英里（805—1609公里）的圓形區域。在北半球這些旋局分別叫做反氣旋和氣旋，而在南半球它們是反方向旋轉的。在緯度30到60度之間的地區，它們通常向東運動，每天移動 500—1000英里（805—1609公里）並帶著各自雲系前進。
9世紀的氣象觀測員獲知反氣旋區通常是天氣晴好的地區，而在氣旋區內則有狂風降水發生且溫度變化迅速。對這些特徵，挪威氣象學家威爾海姆·皮葉克涅斯和他兒子雅各市曾作了相當精闢的描述。
1920年他們發現溫度變化及惡劣天氣來臨主要是與風劇烈變化的明顯分界線（他們把這叫做“鋒”）相聯繫的。沿氣旋中心前的暖鋒是來自熱帶地區的暖空氣。在冷鋒上這一暖氣團則為極地來的冷空氣新的爆發所取代。這一發現給預報員們提供了一個藉以分析天氣
現象的模式。如果天氣變化是符合某一邏輯推理的模式發生的，那末就可運用數學計算作出預報。
大約在應葉克涅斯的氣旋模式問世的前後，氣象學進入了一個迅速發展的時期。為航空發展所促進，高層大氣觀測成了日常工作。飛機本身也提供了在越來越高的高度上測定氣壓、氣溫和濕度的工具。風則通過觀測陸地台站施放的氣球所經的路徑來研究。二十世紀三
十年代出現了無線電探空儀，這是一種可以吊在氣象氣球下在上升過程中傳送壓、溫、濕資料的儀器。自四十年代雷達臻於完善以來，無線電探空氣球一直通過無線電訊號進行跟蹤，從而使得風的測定即使天空雲層密布也可進行。
第二次世界大戰以來技術裝備的發展擴大了人們對大氣的認識。現在，氣象情報是通過飛機、遠洋船隻、漂移浮標、系留浮標以及陸地台站來收集的。雷達跟蹤系統測定亂流、風速、空氣污染以及大氣成分。氣象監測衛星持續賢視全球天氣。使氣象人員在新的天氣系統剛形成時就能發現。計算機對所收集到的資料作出評價並進行數學計算以推斷未來幾天或幾周的天氣狀況。全球天氣研究方面的國際合作已經大大增加了時效更長的預報的可能性.
天氣過程
技術裝備的進展已使氣象人員可對決定天氣的各種過程進行比較精確的研究。現對這些研究中一些比較重要的課題討論如下：輻射是能量以電磁波形式由太陽輸送到地球和大氣及返回空間的過程。所有天氣現象實質上都是由輻射過程所引起。入射的太陽能中約王分之二被地球表面和大氣中的水汽和二氧化碳所吸收。餘下的三分之～則被地球、大氣和雲反射回空間去了。所造成的地球熱收入由熱損失特別是熱通過水分蒸發過程（此過程需要耗費能量）的損失所抵銷。
地球獲得的輻射能分布是不均勻的，地球向大氣輸送的能量也是如此。所有空氣運動和天氣系統從根本上來說都是由這種不均勻加熱造成熱由暖區流向冷區所引起的。尤應指出的是，在熱帶增收能量的同時，極地在冬季不斷損失熱量。極地地區的氣候因巨大風系不斷地把較暖空氣向極地輸送，把較冷空氣向赤道輸送而得到暖和。
由於有了不同類型的氣象衛星，可在全球範圍內對太陽輻射及其效應進行觀測。
亂流運動
亂流運動（湍流）是把熱量、水汽和其他物質輸送給大氣的隨機的、小尺度的運動。亂流運動還在能量消散中起著重要作用，因為（藉助於亂流）能量可從大尺度運動中轉移到小尺度運動中去，再轉變成熱能，即熱。
當風速發生脈動以及當地表的加熱產生浮力的時候，就要產生亂流。當風基本靜息，而亂流被抑制，煙塵及其他污染物質就以煙霧形式滯留於地表附近。亂流運動還可把植物種子、病毒及其他有機體激活到整個對流層。
亂流運動因其雜亂無章的特性最適宜於用統計方法進行分析。近地層大氣亂流的計算機模擬被用來計算污染物質的擴散以及用來鑑別導致污染物過分集中的條件。
雲是水滴或冰晶的積聚物。水汽凝結髮生於非常小的鹽粒、塵埃或煙粒上。這些叫做凝結核，它們在大氣中含量是十分豐富的。當空氣處於接近百分之百的相對濕度時，即使溫度遠低於凍結點，小水滴也可形成。要達到雨滴的大小，這些雲滴的直徑必須增大達一百倍。
冰晶可在凍結核上發展起來。這些凍結核來自某些土壤的塵位，也有可能來自隕石塵。由於凍結核數量遠小於凝結核，所以水滴可在低達- 40 F（－40℃）的溫度下存在而不凍結。這種狀態叫做過冷卻狀態。如果冰晶進人過冷卻雲，這種雲可能變成冰晶雲。我們可以通過對大氣引進人工核（如碘化銀），使過冷卻雲變成冰晶雲。
冰晶與過冷卻水滴相互作用影響了雲中電荷。當在對流雲中小水滴凍結時，就產生電。電荷分離，正電行上升到雲頂部，負電荷下降到雲底層。當其間電壓足夠大時，就出現閃電。
大氣總環流
天氣以多種尺度出現。規模最大的空氣運動稱為總環流，包括引起日常天氣變化的風系。這些風系又控制象雷暴這樣的小尺度運動。大氣中空氣這種永不止息的環流引起某一特定年份出現的地球上溫度、降水、風和雲量的巨大差異。
正如卡爾·古斯塔夫·羅斯貝在1940年所發現的，在溫帶由西向東的寬闊高空氣流形成了一連串的‘長波’。之所以叫“長波”，是因為一個波的東西向長度可以長達三千到五千英里（4826到8046公里）。長波數目，其移動速率及根幅都隨時間而變化。它們在很大程度上左右著天氣類型的變化。在這一波狀的西風氣流中有一中心風帶叫做急流，其速度每小時150到200英里（即每小時241到322公里人有時還要大些。沿著這一風帶的軸通常出現最急劇的天氣變化。
科里奧利力
流向極地的暖空氣及流向赤道的冷空氣（這些氣流運動使地球上熱量分布得以平衡）是引起所有運動的推動力。然而為了理解大氣總環流，我們還必須考慮地球的自轉。風通常是根據在地球上靜止的觀測者的觀點來描述的。由於這一參考系，即地球是不斷旋轉的，所以在靜止參考系中直線的運動，對地球上的觀測者來說似乎變得彎曲了。這一效應叫做科里奧利力，這是根據法國數學家加斯帕德·古斯塔夫．科里奧利而命名的。風遵循這一流型而吹：在北半球風向偏右，在南半球偏左。所以，地球自轉產生西風、東風以及南風、北風。
大尺度的大氣運動主要是因地球目轉才存在的。尤其要指出，由於氣壓和科氏力相互作用而平衡，才使空氣傾向於作勻速運動。這種受到平衡的風就叫做地轉風。因此，空氣基本上是沿壓力等值線即多壓線運動的。由於這一重要關係，所以對大氣中氣壓分布的分析是氣象工作的重要手段。
流體力學背景
十七世紀三項並行的發展為流體力學的成長鋪平了道路。它們是：（1）流體是一種可對固體運動產生阻力的氣體或液體的連續性物質的概念；（2）質量、動量和機械能守恆的運動諸定律的形成，它們不僅適用於固體而且還可用於流體的彈性作用（即聲音傳播）；（3）微積分的發展。這些科學發展在牛頓（1699）和萊布尼茲（1693）的著作中達到了頂峰。他們的工作繼承了前人——特別是伽利略、笛卡爾和克卜勒的重要實驗成果和思想成果，以及年代更早的阿基米德的流體靜力學工作。
“經典”流體力學的發展是在十九世紀中葉完成的，與熱力學原理幾乎同時確定。在流體力學發展中一些傑出的學者是D．伯努里（1738）、達朗伯（1752）、歐拉（1755）、拉格朗目（1781－1789）、納維（1882）、斯托克斯（1845）以及赫姆霍茲（1858，1868）。在十九世紀快要結束時人們開始重視真實流體的湍流不穩定屬性（如布辛尼斯克、凱爾文、雷利、普朗特、泰勒、施密特、海森堡、柯莫格羅夫以及其他許多學者）和熱對流特徵。重大的非經典流體力學向氣象學的發展則是皮葉克涅斯對他的環流定理的系統闡述（1898），這第一次展示了在大氣和海洋中十分重要的密度變化的動力學效應。
大尺度大氣運動
信風成為第一個得到合理解釋的大氣運動特徵是不奇怪的。它是人們所認識到的與全球日射分布具有同樣尺度的第一個有規律的大氣運動現象。最早作出嘗試性解釋的是哈利（1686太地把這一現象歸因子太陽繞地球的西行視運動。他只限乾在認識到對流作用這一點上是正確的。真正提出地球自轉效應的是哈德萊（1735）還有獨立進行研究的道爾頓（1843），他們推測被對流驅使沿經向向赤道運動的空氣應向西偏轉。但是他們沒有認識到在自轉的地球上向任何方向運動的空氣都會發生偏轉。這一事實首先是由科里奧利（1835）和泊松（1839）歸納成數學形式而由特雷西（1843）正確地用於氣象學以解釋風暴的旋轉特性。達夫（1837）在哈德萊理論上又加上這樣觀點，即所觀測到的中緯度的非規律性運動是由於極地氣
流與赤道氣流的交鋒。這一含糊的（雖然部分是正確的）觀點一直沒有得到實質性的闡明而被保留到十九世紀末。與此同時，莫里（1855）根據他對半球海洋上風的測值紀錄提出一個新的經向環流模式。按照他的說法，這個模式還能夠說明中緯度盛行西風帶的形成原因。這一模式的缺陷促使費雷爾（1856）提出一個從力學角度講比較圓滿的模式，在其中包括了一個使他成名的中間環流圈。J·湯姆森（1857）也獨立地提出了一個類似的模式。不滿足於僅僅提出描述性的物理觀點，費雷爾第一次列出大氣運動方程組並以恰當的近似植獲得了一個符合於他的模式特徵的解（1859－1861）。這標誌著現代動力氣象學的開端。一個附帶的結果是地轉公式，它把白貝羅風壓場關係經驗法則置於數學基礎之上。費雷爾理論的進一步精細化則是由別人，特別是戈德堡、莫恩（1876一1883）和奧伯拜克（1888）所完成的。然而最有意義的新觀點是由赫姆霍茲（1888）提出的。他認識到了摩擦的重要性，他作為普通流體力學不連續理論（1868）的創始人，把這一理論用於波狀雲並且還提出極鋒的波狀渦旋擾動觀點。這後一觀點為赫爾曼斯發展（1894），提出了探討大氣中氣旋和“主”氣流的正確關係的最新思路。
在十九世紀大部分時間內，氣象學者都在爭論‘局地’風暴成因的解釋（關於其旋轉性質和移動性質及其對大氣的重要性在此世紀初已確定下來），主要是把它看成與反氣旋區或與大氣環流沒有什麼關係的一種獨立現象。爭論的焦點（直到該世紀晚期才清楚地認識到。如馮·貝索爾德，1893）是關於風暴運動的能量來源。而在這個問題上的混亂是可以理解的，因為缺少象人們很容易遇到的信風尺度那種明顯的熱強迫機制。埃斯皮、盧米斯、費雷爾以及戈德堡和莫恩等研究者認為風暴主要是因對流潛熱釋放所驅動。這一觀點似乎可由對風暴熱力結構的觀測所證實。然而，以漢恩（1891）為首的研究者卻根據歐洲山區的觀測資料得到了相衝突的證據。這使他們提出主氣流的某種形式的動力不穩定是能量的來源。這一問題的解決已成為這世紀主要成就。
1903年馬古勒斯說明了風暴怎樣通過高地對流翻騰獲得它們的能量，而在1906年。他導出了鋒面不連續的平衡條件。後來（挪威）卑爾根小組和柯茨欽（ 1935）解釋了氣旋怎樣才能由於鋒面波動不穩定而生成；此過程既包括為達到平衡所需要的來自切變運動的動能輸送，也包括由上下翻騰機製造成的勢能的轉換。與此同時，他們解釋了所觀測到的不同地方的風暴的熱力特徵上的差異是如何形成的，它是由風暴移動並從對流階段演化到非對流階段時的波動結構變化而引起的。（在穩定性研究中一個必不可少的附加成果是從皮葉克涅斯為大氣運動的分析引進了擾動方程。）其後一個重要貢獻是傑弗里（1933）對氣旋和反氣旋在大氣動量收支方面的重要意義的討論。高空波比有關的低空氣旋是更為重要的能量儲所的發現，以及其後在二次世界大戰前的羅斯貝（根據赫姆羅茲淄區定理）和大戰後的查尼、伊迪、弗焦夫特、伊萊亞森、斯塔爾、郭曉嵐、洛倫茨和菲利普析這些學者對高空波的理論分析，最終導致了確定大氣中大尺度運動的相當完整的概述，而以菲利普斯（1956）成功地為大氣環流主要特徵得出數值解而達到頂峰。在此概述中，波動和渦旋是作為消除太陽能所引起的主要熱力不平衡的基本方式而出現的。作為地球自轉的附帶產物，這些波動傾向於輸送動量以維持緯向氣流。
這方面的最新的理論進展很大程度上是由於泰勒、富爾茨和海德這些學者對轉動的並受熱力驅動的流體的實驗工作。這一研究的實驗方向最初是由威汀（1857-1884）在有關大氣環流問題中所採取的。
對大尺度運動認識的進展在許多動力氣象學論著中有所記載。現在人們正積極地從事關於巨觀氣候及其變化（包括地表非均勻性的全部效應）的總體理論的研究。
其它運動
在十九世紀，潮汐振盪和聲學重力振盪的理論曾是許多學者感興趣的課題，如拉普拉斯（1799－1827）、凱爾文（1882，他首先提出諧振的重要性）、雷利（1890）和馬古勒斯（1890－1892）以及本世紀許多其他學者，包括泰勒、查普曼、巴特爾斯、索爾伯格和佩克利斯等。近來年，由於大氣熱力結構和核爆炸衝擊波傳播的新的觀測資料，因而他們的許多成果一直處於爭論之中。
關於由陸地和海洋受熱差異引起不穩定的風（季風、海陸風）以及由於地形引起的局地風（背風波、焚風、山谷風）的理論主要是在這個世紀中建立的。
雖然颶風很早以前就被人認識到是所有渦旋現象中最強烈最有規律的一種，但是完備的理論只是最近才開始露頭，這主要是新的細密的觀測資料的結果。對於尺度更小的陸龍捲以及其他中尺度現象如路線等的情況也是如此。在一定程度上，所有這些研究的主要問里一直是取決於對積雲生長和結構機制的理解。
雲和降水理論目十九世紀初以來一般說來一直是根據簡單的熱力學論據（如埃斯皮，1841）進行探討，稍後獲得許多重要成果，如艾特肯的凝結核的研究，以及韋報納（1911）、伯傑龍（1935）和芬德森（1937）關於降水機制的構想。對雲進行人工影響的發現（蘭米爾和謝菲爾，1947）和雷達的發展是推進現代理論發展（例如1957年弗盧格和巴特爾斯所彙編的盧德勒姆和馬森的著作）的重要刺激劑。包含著雲塊運動和凝結過程兩者同時發展的動力學理論只是剛剛開始。在這方面，很早就把雷利的對流不穩定理論套用於雲的是布侖特（1925）大氣亂流和邊界層理論其起源主要歸功於埃克曼（1925）、泰勒（1915）和施密特（1925）的開創性工作，其後有許多進一步的成果（如里查森和羅斯貝的貢獻）。邊界層的完整理論是一門有著巨大現實意義的課題，這不僅因為邊界層對人類的套用有內在的重要意義，而且還因為它作為能量輸送和消散的主要場所而對所有較大尺度的運動具有最終的影響。
理論氣象學所有領域近年來都由於引入高速計算機而獲得巨大益處，此工具可以解出較充分地表達大氣活動的複雜非線性特徵的方程組。並非不重要之點是這些計算機的出現鼓勵了人們對某些類型的大氣活動進行常規數學分析。其實，這類工作在計算機問世之前也是能夠進行的（如穩定性和一級能量輸送的研究）。
大氣現象極光
極光是一種大氣光學現象。當太陽黑子、耀斑活動劇烈時，太陽發出大量強烈的帶電粒子流，沿著地磁場的磁力線向南北兩極移動，它以極快的速度進入地球大氣的上層，其能量相當於幾萬或幾十萬顆氫彈爆炸的威力。由於帶電粒子速度很快，碰撞空氣中的原子時，原子外層的電子便獲得能量。當這些電子獲得的能量釋放出來，便會輻射出一種可見的光束，這種迷人的色彩就是極光。
海市蜃樓
在炎熱的夏季中，平靜的海面、大江江面、雪原、沙漠或戈壁等地區，當近地面的空氣受到太陽的猛烈照射時，溫度升得很高，空氣密度變小了，而上層的空氣仍然比較冷，空氣密度也大，這樣由遠方物體各點所投射的光線在穿過不同密度的空氣層時，就要向遠離光線的方向折射。當光線照射到地球表面時，就會發生全反射，於是遠處物體上下各點所投射的光線就沿下凹的路逕到達觀察者眼中，出現“海市蜃樓”。而在地面逆溫較強的地區，尤其是在冷海面或極地冰雪覆蓋的地區，由於底層空氣密度很大，而上層空氣密度很小，這種上疏下密的空氣就能使物體投射的光線經過它產生折射和全反射現象，以致出現“海市蜃樓”的景象。
虹和霓
虹是光線以一定角度照在水滴上所發生的折射、分光、內反射、再折射等造成的大氣現象。有時在虹的外側還能看到第二道虹，光彩比第一道虹稍淡，色序是外紫內紅，稱為副虹或霓。霓和虹的不同點僅僅在於光線在雨點內產生二次內反射，因此光線通過雨滴後射到我們眼帘時，光弧色帶就與虹正好相反。
日暈
日暈(Rì Yùn)(solar halo; solar flare)是日光通過雲層中的冰晶時， 經折射而形成的光現象，圍繞太陽環形，呈彩色。日暈的出現，往往預示天氣要有一定的變化。日暈是一種比較罕見的天象。“日暈”有全暈圈和缺口暈。
當光環半徑的對應視角在22－46之間的角度，人們可以肉眼觀察到“日暈”現象。雲層中冰晶含量越大，陽光產生折射後所呈現的“日暈”形狀就越小，光環也就越顯著，容易使人觀察到；反之，則無法形成“日暈”。 或者即使形成也無法在地面上清楚地觀察到這一現象。
