За да се получат сведения за физическото състояние на атмосферата и необходмите данни за предсказване на времето, се използват различни методи и средства за наблюдение. В исторически план, първоначално инструменталните и визуални наблюдения са били правени само в приземния слой, в т. н. метеорологични станции. Една такава станция представлява оградена открита площадка (метеопарк), където са разположени метеорологичните прибори, като само барометрите и барографите са монтирани в сградата на станцията. Уредите за измерване на температурата и влажността на въздуха (сухи и мокри термометри) се поставят в специална метеорологична клетка. Тя ги предпазва от непосредственото въздействие на слънчевите лъчи и топлината излъчвана от земната повърхност, от силните ветрове и валежите. Клетката е дървена и стените й са жалузни. По този начин се осигурява добра вентилация и свободен достъп на въздуха до метеорологичните прибори. За да не се нагрява от Слънцето, клетката се боядисва с бяла боя, а за да не попадат преки слънчеви лъчи върху приборите, вратата й е обърната на север. Тъй като въздухът се нагрява главно от повърхността на почвата, нейното влияние се отстранява, като резервоарите на термометрите се поставят на височина 2 м.

В метеорологичните станции се измерва и температурата на почвата на различни дълбочини, като за целта се използват специални почвени термометри. Ветромерът е поставен на стълб с височина 10-12 м. По определен план, еднакъв за всички станции, се монтират дъждомерът, хелиографът (измерващ продължителността на слънчевото греене) и други прибори. Трябва да се знае, че по наблюденията само в една станция е невъзможно да се добие представа за състоянието на атмосферата над големи райони и да се проследят измененията на времето в тях. Ето защо още на Първия международен метеорологичен конгрес във Виена е било решено да се създаде мрежа от станции, която постепенно да обхване цялото земно кълбо. Днес тези станции са десетки хиляди и няма държава, която да не е изградила собствена метеорологична мрежа. Част от станциите са включени в международния обмен на метеорологична информация. за да бъдат сравними по между си, наблюденията във всички метеорологични станции по света трябва да се извършват по единна методика, с еднотипни и еднакво точни уреди, в строго определени часове, наречени срокове на наблюденията (по 4 или 8 пъти в денонощието), и без прекъсване в празничните дни. Особенните атмосферни явления се следят непрекъснато и се записват тяхното начало, край и интензивност.

Днес данните от приземните наблюдения са крайно недостатъчни. Ето защо, в употреба са метеорологичните данни събрани чрез мрежа от високопланински метеорологични обсерватории, аерологични височинни балони, самолетно сондиране и метеорологични и геофизични ракети. Важно допълнение към основната метеорологична информация са сведенията за състоянието на атмосферата, които се получават с помощта на метеорологични радиолокатори, лазерни локатори и метеорологични спътници. Именно метеорологичните ИСЗ заедно с наземния комплекс за приемане, обработка и разпространение на спътниковата информация формират метеорологичната космическа система. Днес в нея влизат дузина ИСЗ, някои на полярни, а други на геостационарни орбити. По такъв начин, работейки в определена схема те могат да наблюдават един и същ много голям район от земното кълбо и да проследяват промените на времето в него.

Основни елементи на времето, климата и климатообразуващите процеси.

Както вече бе споменато, за характеризиране на физичното състояние на атмосферата в определен момент се използват понятията метеорологични елементи (количествена характеристика) и метеорологични явления (качествена характеристика). Най-често в метеорологията се борави със следните метеорологични елементи и явления:

Температура на въздуха: една от най-важните характеристики на топлинното състояние на въздуха. Дефинира се  като степен на нагрятост на телата (въздух, почва, вода и др.), която съответства на интензивността на хаотичното (топлинното) движение на молекулите в тях. В метеорологичната практика у нас и в повечето европейски страни тя се изразява в градуси по стоградусовата скала на Целзий (оС), а в теоретичните изследвания – в келвини (ТК). Превръщането на единиците от едната в другата скала става по следната формула:

Т К = 273,15 + t oC

Ако в даден текст не е дадено друго пояснение, за температура на въздуха се приема тази, измерена на височина 2 м в метеорологичната клетка.

Атмосферно налягане: налягането, което въздухът упражнява с теглото си. То се измерва във всяка една точка от атмосферата чрез теглото на въздушния стълб, достигащ горната граница на атмосферата и със сечение, равно на единица площ. В Международната измерителна система (SI) се използва единицата паскал, или:

Pa = N/m2.

В метеорологията в последно време се утвърди хектопаскалът

1 hPa = 102Pa = 1 mbar .

Милиметрите живачен стълб (mm Hg) и милибарите (mbar) са единици, които все още се срещат в метеорологичната и климатологична литература. Скалите на много от използваните сега уреди за измерване на атмосферното налягане също са разграфени в mm и mbar, като:  1 mm Hg » 1,3 mbar .

Влажност на въздуха: с това понятие се дефинира съдържанието на водна пара в атмосферата. Изразява се чрез характеристиките си: пъргавина на водната пара (в hPa), дефицит на влажност (в hPa), абсолютна влажност (в g/m3), относителна влажност (в %).

Валежи: с това се дефинира водата, която в твърдо или течно състояние пада от облаците или кондензира върху земната повърхнина и предметите по нея. Количеството на валежите се определя в милиметри воден слой., като 1 mm = 1 l/m2. Това значи, че ако 1 l валежна вода падне върху 1 m2 площ и се разлее равномерно, без да попива и без да се изпарява, ще се получи слой вода с височина 1 mm. Ако валежът е в твърдо състояние, той се стопява и се измерва със съответните уреди като течен валеж.

Вятър: хоризонталната съставка на движението на въздуха спрямо земната повърхнина. В понятието вятър се включват числената стойност на скоростта на вятъра, изразена в m/s (понякога в km/h, възли и др.) и посоката на вятъра (съответно на посоката на хоризонта, от която духа вятърът).

Хоризонтална видимост: най-голямото разстояние, на което през светлата част от денонощието може да се различи (на фона на небето близо до хоризонта) абсолютно черен предмет с достатъчно голями ъглови размери. Измерва се в m и в km.

Най-често в метеорологията се говори за формирането (генезиса) на климата и за климатообразуващата роля на един или друг процес или климатичен елемент. Под генезис на климата се разбира неговото формиране в резултат на атмосферни процеси, наречени климатообразуващи, които протичат под въздействието на точно определени географски фактори на климата. Основните климатообразуващи процеси, общи за цялото земно кълбо, са:

• а. Обмен на топлина – тук се включват радиационните условия на Земята и обменът на топлина между атмосферата и подстилащата повърхнина по нерадиационен път (чрез топлопроводност, чрез изразходване или отделяне на топлина при фазовите преходи на водата и др.).
  
• б. Обмен на влага между атмосферата и подстилащата повърхнина.
  
• в. Обща циркулация на атмосферата, която обединява едромащабните  движения на въздуха  – циклони и антициклони, мусони, пасати и др. За отделни географски райони климатообразуващата роля имати някои местни циркулации (бризи, планинско-долинни ветрове и др.).
  

Посочените климатообразуващи процеси се реализират в единство и във връзка помежду си. Те се променят под въздействието на географските фактори, а самите географски фактори изпитват тяхното влияние. Всичко това, усложнява много подреждането им и създава затруднения при тяхното последователно изучаване.

Източници на енергия за природните процеси на Земята са лъчистата енергия на Слънцето, вътрешната топлина на Земята, енергията на космичните лъчи, силите на гравитацията, химичната, биогенната и техногенната енергия. Най-голямо значение имат първите два източиника. количеството сумарна вътрешноземна топлинна енергия е 300 пъти по-малко от количеството слънчева енергия, която постъпва ежедневно на гопната гпаница на атмосферата, и 200 пъти по-малко от слънчевата енергия, поглъщана от земната повърхнина и атмосферата. Потокът топлина, който идва от земните недра към повърхността на Земят, е около 5000 пъти по-малък в сравнение с топлината, постъпваща от Слънцето. В топлинния баланс на земната повърхнина, слънчевата енергия е 99,98 %, а вътрешноземната е 0,02 %. това показва, че засега основен източник на енергия за природните процеси, включително и за тези, които се осъществяват в земната атмосфера, е слънчевата енергия. Тя е най-важният външен (извънземен) фактор за климатообразуването. На фиг. 2 е дадена схема на топлинния баланс на Земята.

Другият важен фактор в метеорологичните процеси е водата. Количеството на вода в атмосферата е огромно, но то е нищожно в сравнение с общото количество вода на Земята. Водните запаси на нашата планета се оценяват на 1,3.1018 t, а 97,2% от тях са съсредоточени в Световния океан. Останалата вода е разпределена в ледниците (2,1%), реките и сладководните езера (0,6%), вътрешните морета и солените езера (0,01%) и атмосферата (0,001%). Вижда се, че в най-достъпните източници на прясна вода – реките и езерата – се намира нищожна част от водата. Тя би се изпарила много бързо, ако не се въдзобновяваше непрекъснато в резултат на процесите, които осъществяват преразпределението й по земното кълбо и които представляват отделните звена от кръговрата на водата.

Подробна схема на кръговрата на водата е дадена на фиг. 3. В лявата страна е изобразен т. н. малък кръговрат, който се осъществява между Световния океан и атмосферата над него: изпарената от океанската повърхност вода кондензира в атмосферата, образуват се облаци и падат валежи и по този начин водата отново се връща в океана. В него обаче участват само 2/3 от изпарената от океана вода. Останалата 1/3 се отнася от въздушните течения към сушата и се присъединява към намиращата се там влага, постъпила чрез изпарение от нейната повърхност. Ето защо валежът над континентите значително превишава изпарението, т. е. океанът, който заема около 70% от повърхността на Земята и произвежда около 90% от водната пара, оказва овлажняващо въздействие върху сушата. Пътят на водата, паднала под формата на валеж на сушата е доста сложен. Една част от нея отива в езерата и реките, които я връщат отново в океана, а друга прониква в почвата и по-дълбоките слоеве на литосферата и може да измине дълъг път, докато отново излезе на повърхността. Ако водата е паднала на земята във вид на сняг, нейното движение спира, докато започне топенето. Във високите планини и в полярните области снегът се превръща в ледници и може да се задържи десетки, стотици, дори хиляди години. В процеса на кръговрата на водата се извършва и преразпределението й между различните географски ширини. Главен източник на водна пара за земното кълбо са океаните в тропичните ширини. При голямия приток на слънчева енергия и практически неограничените запаси на вода изпарението от тях е огромно. Условията в тези райони обаче са такива, че пречат за изнасянето на водната пара нагоре и за образуването на облаци, затова там валежът е значително по-малък от изпарението. Излишната водна пара се отнася от въздушните течения към екваториалната зона и към умерените и високите ширини и допринася за тяхното овлажняване, защото в тези райони на земното кълбо валежът е по-голям от изпарението.

Разбира се, описаната схема дава най-обща представа за кръговрата на водата, като в действителност процесите са много по-сложни. Много е важно обаче, че те са балансирани, т. е. общата сума на падналите върху земното кълбо валежи е равна на количеството на изпарената вода. За това говори неизменното ниво на Световния океан, постоянството на средния многогодишен речен отток и на хидрологичния режим на сушата – независимо от известните колебания през отделни години на континентите не се забелязва нито натрупване, нито загуба на вода. Общият кръговрат на водата в атмосферата протича доста интензивно. Приблизителните пресмятания показват, че на земната повърхност падат средногодишно 5,8.1014 t вода, която може да образува воден слой с дебелина около 1000 mm. Тъй като във всеки момент в атмосферата се съдържат средно 1,3.1013 t вода (25 mm), очевидно е, че в резултат на изпарение, кондензация и падане на валеж водата в атмосферата се възобновява напълно около 40 пъти в годината, т. е. средно на всеки 8 – 9 денонощия. Мащабите на тези колосални процеси се осъществяват благодарение на огромното количество енергия, която Земята получава от Слънцето. Благодарение на тях са възможни и карстовите явления  и процеси под земята.