- 小仓义光着、张泉涌译。1995。《普通气象学》。台北：国立编译馆。
- C. Donald Ahrens.2003. Meteorology Today：An Introduction to Weather, Climate and the Environment.
大气层是包围在地球表面的一层气体，也含有少量的液体及固体粒子。人类生活於其中，对大气层似乎再熟悉不过，然而，它却是地球环境系统中相当复杂的一部分，并且对於人类社会乃至所有生物，都有举足轻重的影响。
一、大气层之气压分布
大气压力（简称气压）基本上是可以用来代表大气气体浓度的一个物理量，会受到温度的影响。大气气体浓度在地表最浓，气压亦为最大值。平均而言，全球海平面气压值为1013.25 hPa（hectoPascal=百帕，有时也用mb=millibar=毫巴，1 hPa=1 mb），越往高处气压越小。
除了在强烈对流天气（如暴风雨）发生的区域之外，基本上气压随高度以指数方式递减，这个数学关系称为「气压计原理」（barometric law）。由於气压与高度的关系在一般情况下堪称精确，只要经过适当的校正，气压计便可当作高度计来使用。由於气压向上递减，产生了垂直气压梯度力，使得空气有向上流动的趋势，如果气压梯度力与空气所受到的重力恰好平衡，垂直方向的净力便为零，这种状态称为「流体静力平衡」。大气层（尤其是低层）通常非常接近这种平衡状态。
若依照气压计原理的数学公式，大气气压在「无穷远」处的气压应为零，然而实际上，当气压随着高度而递减到和太阳系行星际空间的气压相等之处，便差不多是大气层的「边界」了。这个边界随着地球面向太阳的角度而不同，朝向太阳的那一面被太阳风压缩，大气层厚度较小，而背向太阳的一面则伸展得比较远。
二、 大气气体的化学组成
大气是由多种气体组成的混合物。其中浓度最大的两种气体是氮（N2，大约78.1%）和氧（O2，大约20.9%），其他气体均远比氮和氧稀薄。
有些稀有气体浓度虽低，在大气中却扮演了十分重要的角色。例如水气，它的浓度在不同地区变化很大，沙漠地区地表水气的浓度几近於零，热带海洋面上却可能高达将近4%。水气的多寡决定一个地区的气候是湿润或者乾燥，它还能够兴云致雨，产生冲刷地表的侵蚀作用进而改变地貌，甚至影响当地的生物群落及人类社会的形态。又如二氧化碳（CO2）仅为浓度排名第四的稀薄气体（这里是指均匀分布的乾空气浓度而言，因为水蒸气局地浓度变化不定，常被分开另列。如果考虑大气总量，则水蒸气为第四，而二氧化碳为第五），但近年来多数科学家认为，燃烧化石燃料而产生的CO2，是导致全球气候增暖的元凶。
三、大气垂直分层
由於大气层在可见光中是透明的，不易以肉眼直接观测，但其实它的物理结构相当复杂，分层的方式则取决於以大气的何种特性作为依据。以下所讨论的都是在一般状态下的大气垂直结构，实际上则随时间及地点的改变而有所不同。
（一）依垂直温度分布分层
这是最常见的大气垂直分层方法，与大气层的动力特性之一：静力稳定度呈直接相关。大气垂直温度分布曲线如图1。依此方法可以区分出以下四层：
1.对流层（troposphere）
大气的最底层，特徵是温度由地面往上递减，至气温达（相对）极小值的层际（称为对流层顶）为止。对流层的厚度各处不一，热带地区大约17公里左右，中纬度地区大约10公里左右，而极地地区则约7公里左右。地面气温平均约15℃，对流层顶气温平均约-55℃（在赤道则约-75℃，极地约-45℃）。对流层的温度递减率平均约为每公里6.5℃。这种下暖上冷的温度结构容易发生对流运动，因此，几乎所有的云雨及风暴现象都局限於对流层内，仅有少数极强的雷暴可暂时突破对流层顶。
2.平流层（stratosphere）
此层位於对流层顶之上，温度特徵为起初略呈稳定值，其後往上递增，至气温达（相对）极大值的层际（称为平流层顶）为止。平流层顶的高度距地面约为50公里，温度约为0℃。下冷上暖的温度结构导致本层的空气不易作垂直运动，所以对流不易发生，但水平运动所受影响较小，故称为平流层。由於缺乏垂直运动及水气，除了强烈对流层风暴（如雷暴、台风等）对此层底部略有影响之外，平流层基本上常为晴空，偶尔有贝母云雨出现，目前长途喷射客机之巡航高度基本上在平流层底附近。平流层的上部是臭氧浓度的集中区，平流层顶的相对高温正是臭氧吸收了太阳辐射的结果。
3.中气层（mesosphere）
从平流层顶起至约90公里左右，是为中气层，温度特徵是向上递减。中气层顶的温度极低，约-85到-100℃，是整个地球环境中最冷之处。这种温度结构使空气不稳定，对流以及较强的乱流都可能发生。不过中气层水气极为稀薄，因而不见云雨，但偶有所谓「夜光云」出现。由於此层高於飞机可达之高度，却又低於循地球轨道运转的航空器（如太空梭、人造卫星），目前唯一可用来探测的只有探空火箭，因此，科学界目前对中气层的特性所知不多，有时戏称为「无知层」。
4.热气层（thermosphere）
中气层顶之上称为热气层，温度又逐渐往上递增，直至摄氏数千度，故又称为增温层。热气层之高温是空气分子吸收太阳短波辐射的能量造成的。此层的最高边界并无明确数值，约在500-1,000公里高处，气体粒子之平均自由路径长度相当大，气体逃逸至太空的机率非常高，称之为逃逸层（Exosphere），有时可视为热气层的上界。
（二）依气体混合状态分层
若依气体混合状态分层，则可分为两层：
1.均匀层（homospphere）：从地面起，至大约80-100公里之高处。此层内气体浓度较大，紊流也较激烈，故气体彼此碰撞较频繁，组成成分大致以一定比例均匀混合，例如20%之氧及79%之氮等，故称均匀层。
2.不匀层（heterosphere）：高於约80-100公里之上的大气中，气体浓度变得稀薄，粒子碰撞也少，因为重力的影响而使得较重的粒子聚集下层、较轻的粒子聚集上层，使气体混合的比例随着高度改变，故称不匀层。
（三）依自由电子密度分层
大气层也可以用空气中自由电子的浓度来定性，依此分为下列两层：
1.中性层（neutrosphere）：从地面起至大约70-90公里高处。此层内空气分子的电离化较少，自由电子浓度亦甚小，绝大多数的分子或原子均为中性，故称中性层。此层际的高度会因季节及纬度而有所差异。
2.电离层（ionosphere）：高於70-90公里之上的大气中，空气分子电离化程度较高，自由电子浓度也大，称为电离层。电离层顶没有明确的定界，基本上此层的上部空气几乎完全电离化为离子及自由电子，形成电浆体，故导电性很高，使此层成为等电位层（equipotential layer）。这种几乎完全电离化的物质对於在其中传播的电磁波影响甚钜。电离层又可分为数层：（1）D-层：在中气层里约100公里以下；（2）E-层：在约100-120公里高处；（3）F1-层：约150-190公里高处；（4）F2-层：200公里以上。这里所谓的「层」，事实上并无明显层次，有学者认为应以较笼统的「区」称之。从上面的F-层再往上，空气粒子的浓度越形稀薄，它们的动力性质逐渐受到地球磁场的强烈影响，因而称为磁层（magnetosphere）。
贰、大气环流
空气的运动形成「风」。风可以是水平也可以是垂直的，但一般气象学里的风大多数是指水平方向的运动，垂直方向则称为「上升气流」与「下沉气流」。
一、风之成因
产生风最主要的动力为气压不均匀。当气压不均匀时，便产生气压梯度力，使空气具有从高压区向低压区流动的趋势，因而产生风。但实际的流动情势还必须考虑其他因素。
在垂直方向，由於接近流体静力平衡的关系，一般流速甚小，惟强烈对流地区例外。水平方向并没有这种平衡条件，故水平风速的变化远超过垂直方向。水平方向的气压，会因热力或动力因素产生落差，於是便有从高压区吹往低压区的风。
不是受到气压不均匀所形成的风，主要为地转风（geostrophic wind）。地球上的各种运动都受到地球自转的影响，随着地球转动的观测者，可以观察到各种运动似乎受到一种偏向力的作用，这种力称为科氏力（Coriolis force），会使发生在北半球的运动看来似乎向右偏转、在南半球则向左偏转。科氏力的大小和运动速率成正比，也和纬度有关。由於科氏力的作用需要较长的时间才会明显出现，故一般小尺度或短时间的运动可不计，仅考虑大尺度的运动。
空气的运动产生了风，也受科氏力的影响。在北半球，当风开始从高压区向低压区吹送时，便受到科氏力的影响而开始偏右。起初，气压梯度力和科氏力并不平衡，但是当风向偏转到和等压线平行时，这两种力会恰好平衡，使风向不再偏转，这种情况称为「地转平衡」，由此产生的风便称为「地转风」。大尺度运动的风速一般都接近地转风之值。
地转平衡使北半球高压中心附近的风以顺时针方向旋转，低压中心附近则以反时针方向旋转；南半球则刚好相反，高压中心附近的风以反时针方向旋转，低压中心附近则以顺时针方向旋转。
若再加上地面摩擦力的影响，则风向还会有小幅度的修正，即北半球高压中心附近的风以顺时针方向旋转并且由中心向外辐散，低压中心附近则以反时针方向旋转并且向中心辐合；南半球高压中心附近的风以反时针方向旋转并且由中心向外辐散，而低压中心附近则以顺时针方向旋转并且向中心辐合。这种风向的形势推论基本上符合观测结果。
二、大气平均环流
（一）经向环流
图2显示大气的环流系统。必须注意的是，这是经过平均、简化之後的大气南北向环流，真实的环流有很大的季节性变化，和这种平均状态差异甚钜。平均状态的经向环流在南北半球各有三个环流胞。兹以北半球为例：
1.哈德里胞（Hadley cell）
空气在赤道地区从地面往上升，逐渐向北流动，在副热带上空大致沿水平方向流动，其後逐渐向下倾斜，在纬度30度左右下沉至低层，并向南流动，回流至赤道区，形成一个封闭的环流胞。
赤道区的上升气流使得本区大致为低压区，会产生发展得较为强烈的对流云，而造成较多的降水。反之，在纬度30度左右的下沉气流使得本区大致为高压区，造成较为乾燥的天气。
2.佛雷尔胞（Ferrel cell）
在纬度60度左右，有上升气流由地面上升至对流层高层，然後逐渐向南倾斜，在纬度30度左右下沉，与哈德里胞的北支下沉气流汇合至低层，在低层向北流动，回流至60度附近，形成另一个封闭环流，在纬度60度左右的上升气流也使得该纬度带有较为丰沛的降水。
3.极胞（Polar cell）
在纬度60度左右的上升气流，有一分支由地面上升至对流层高层，往北在极区下沉至低层，然後在低层向南回流至60度附近。极胞的环流比起哈德里胞和佛雷尔胞要微弱得多。
南半球的经向环流与上述北半球的三个环流胞成镜像对称。
假如没有地球的自转，则大气的经向环流最可能的形势，是空气从赤道区上升、在极区下沉，沿低层回流至赤道区，形成一个封闭的单一环流胞，亦即仅有哈德里胞。但是在地球自转的情况下，单一环流胞无法形成稳定的结构，而上述的三胞环流结构则属於稳定状态。
（二）全球风系
由经向环流结构再加上地球自转的考量，可以推知全球大气低层的大致风向状况如下：
1.信风带
在赤道与北纬30度之间，风向为东北风（风从东北吹向西南），称为东北信风带。在赤道与南纬30度之间，风向为东南风（风从东南吹向西北），称为东南信风带。赤道附近则是气流辐合区，有时称为赤道东风带。这也符合经向环流赤道区的低压带与上升气流的状况。
2.盛行西风带
在北纬30度与北纬60度之间，风向为西南风；在南纬30度与南纬60度之间，风向为西北风。是故南北两半球的中纬度地区均是偏西风，称为盛行西风带。在南北纬30度左右，风向呈辐散形势，这也符合经向环流中在纬度30度为高压区，且下沉气流普遍，常称为「副热带高压区」。持续的下沉气流使得这一纬度带有分布较为广泛的乾燥气候区，许多大沙漠便出现於此。而纬度60度的上升气流则产生较丰沛的雨量，使得森林植被面积较广。
3.极地东风带
纬度60度至极圈内则为东风带。北半球的极地为东北风，南半球则为东南风。极地由於太阳辐射量甚为稀少，气候寒冷。
全球风系只是大概的平均状况，实际上的风向受天气系统的移动以及当地的地形、地貌等因素影响很大。
（三）局部环流
全球风系讨论的是大尺度的环流风场（几千公里以上）。较小尺度的风场则受到当地环境的影响，例如山岳的阻隔作用（产生山风、谷风、焚风等）、海陆边界的影响（产生海风、陆风）、地上植被及人造建筑物的影响等等，需加入外在物理因素的限制，才能了解它们真正的环流形势。
参、天气系统
一、产生天气之能量来源
大气运动以及其他物理过程，称为天气现象，是天天、随时都在发生，需要有源源不绝的能量才能持续不断。
天气现象的总能量来源是太阳辐射，但是太阳辐射却不是天气现象的直接能量来源。这是因为太阳辐射最强的部分是可见光，而在可见光中大气是透明的，因此大气并不能直接吸收太阳的可见光辐射。比可见光波长为短的太阳辐射（例如紫外綫、X光、伽玛线等）在大气高层就被空气分子吸收而使分子游离化或加热，但它们与日常的天气现象却没有太大的关系，而地表吸收的太阳长波辐射则不足以支撑天气现象所需的庞大能量。
当太阳的可见光辐射穿过透明的大气层来到地面时，由於地面对可见光而言是不透明的，因此可见光悉数被地表（包括陆面、水面）所吸收，再将之转换成长波辐射并发射出来，称之为「地球辐射」（terrestrial radiation）。地球辐射的能量谱很接近一个温度大约为288℃的黑体辐射，最强的波段在红外线范围，大部分便是热辐射，因此，由地球辐射产生的热能，才是天气现象的直接来源。
地表上每个地带的冷热并不均匀，一般说来，低纬度地区因为太阳的照射角度较为直接，每单位面积的辐射能量较大，因此比较热。反之，高纬度地区由於太阳光斜射，以致单位面积所接受的太阳辐射能量较小，因此较冷。这些不同地带同时放射能量不等的地球辐射，由於温度的关系，热带的地球辐射量大於中、高纬度，但即便如此，热带所接收的太阳辐射总量，却还是大过於放射出去的地球辐射量，故能量过剩；反之，高纬度地带接收的太阳辐射量，大过放射出去的地球辐射量，而使能量匮乏（图3）。这种不同纬度的热量不平衡状态，必定导致能量从过剩的地区传输至匮乏的地区，而传输的方式之一便是天气现象（另一方式则是海洋传输，但是海洋传输能量的范围局限於热带至纬度30度左右）。因此，热带与高纬度的热量收支差异即是推动天气过程的真正能源。
二、天气与气候过程
天气及气候过程有许多不同的空间尺度，大如行星尺度（大气行星波）、小至小於厘米尺度的微小扰动都有。除了风之外，降水（成云、降雨、降雪等）也是天气过程的重要现象。
中、高纬度地区的天气过程与热带地区有所不同。中、高纬度地区的天气过程和大气的斜压性（baroclinity， 由於温度梯度所引起）关系较为密切，基本上可用挪威学派所创始的极锋学説及气旋波动理论来解释；热带地区则温度梯度不明显，与斜压性关系较小，可用正压（barotropic）模式来理解。
推动天气过程的能量，除了直接以动能方式传输之外，也可以先造成位能之蓄积，然後以动能或热能方式释放出来。在天气尺度下之成云及降水的过程，即是此种动能及热能的释放方式之一，如果能量释放集中在一段较短的期间内，往往造成激烈的天气现象。中高纬度地区的典型剧烈天气过程是雷暴，雷暴除了雷电现象之外，通常伴有强风、大雨或豪雨，也可能产生降雹。在某些尚未明了的情况下，剧烈之雷暴可以产生龙卷风。中高纬度冬季的大风雪有时也归类於剧烈天气。
台风则是热带地区典型的剧烈天气，产生於温暖的热带海面上，其生成机制及完整之充分条件目前尚未完全明了，但一些必要条件（如海面温度、科氏力及风切）则为气象学界所熟知。台风是一个暖心低压风暴系统，而中高纬度之气旋则通常为冷心低压风暴系统，显见两者有不同的动力及热力结构。对於台湾而言，台风乃是天然灾害中最为重大的一项，挟带的豪雨往往造成洪水及土石流，危害尤甚；但同时，台湾所需的雨量有很大的一部分是由台风所带来的，假使台风稀少，则会导致雨量不足，水的供应必将匮乏。
天气过程之时间尺度大约限於数天之内，其重大的物理机制，往往以位能转换为动能之概念加上热力学上之绝热过程，就能够解释大半。较长期的天气过程现在一般称之为气候过程，从数星期以上至千万年尺度都可称为气候过程。
与较短期的天气过程相比，气候过程中受到非绝热物理机制（例如辐射增温或冷却及潜热之吸收或释放）之影响较大。短期、中期及长期气候波动各受到不同之物理机制所影响，详细情况尚不清楚，是目前大气科学研究的焦点。
肆、地球大气之演化
地球大气并非一开始就是以氮和氧为主体，而是从不同的原始状态逐渐演变而来的。以目前对太阳系演化过程的了解来看，地球最初的大气应该是以氢和氦为主体，但是它们在太阳从原始太阳演化成为T-Tauri型阶段时，被十分猛烈的太阳风吹散，大部分逸散於行星际空间。咸认在此一阶段，地球上并无明显稳定的大气层。
与此同时，地球应已经从一度是熔融的状态开始固化。然而地球附近仍环绕着大量富含挥发性物质的碎块（volatile-rich debris），小至沙砾状、大可至数百公里，它们有时会受到地球引力的作用奔向地球而撞击地面，这些撞击物便是陨石。由於地面此时已经逐渐固化，这些陨石只能在地表形成一层壳，即为今日的地壳。由於其来源物质富含挥发性成分，在撞击地面後的高热状态下便可能以气体形式释放出来，这些气体便逐渐累积成一层颇为浓厚的大气层，即是今日大气层之起源。由於此大气层并非原始大气，而是由气体释放（degassing）机制而形成的大气，因此被称为次生大气（secondary atmosphere）。
这种气体释放机制，也就是到现在都仍持续进行中的地层活动，如火山爆发即为一例。由於现代火山和古代火山应无重大不同，因此从今日火山爆发所喷发的气体成分，可以推知古代次生大气的一些特性。测量显示，火山喷发气体以水气量为最大，接着依次为二氧化碳、氯气、二氧化硫、氮。氮是今日大气之主要成分，在古代只排名第五，而自由氧气则非常稀少。这指出了从古代的次生大气到现代以氮、氧为主的大气，必定历经了重大的演变过程。
次生大气初始时期应相当稀薄，因此没有足够的温室效应，地表温度颇为寒冷，火山喷发的水气在当时的地表环境温度中，很快便达到饱和而凝结成液态水并成为降雨。大量的降雨逐渐在地表低洼处累积，渐成今日的汪洋大海。在降雨的同时，由於二氧化碳、氯气、二氧化硫均能大量溶解於液态水，於是便溶於雨水中并随之流入海洋。这说明了现在的海水里何以存在着大量的碳酸化合物、盐及硫化物。排名第五的氮却因为水溶性甚小，最终成为大气成分中的主要气体。
初始的次生大气中，自由氧气可能十分稀薄，因此当时的大气很可能是个微弱还原性的大气。然而由於生命的出现，逐渐演化出能进行光合作用的绿色植物（蓝绿藻有可能便是这类早期的绿色植物）。光合作用使得氧气开始大量在大气中累积，使得氧气成为大气层仅次於氮的主要气体成分，也使得其後依靠氧气生存的生物（如人类）得以孕生及发展。至此，大气的主要化学成分已大致底定。
伍、大气环境与人类社会之互动关系
生物的出现与地球表面的环境变化关系十分密切。由於生物本来便是从广义的大气层（包括大气和海洋）中演化出来的，因此大气层与生物圈存在着一种互动关系。自从生物开始出现在地球上，大气层的变化便受到生物圈的影响，绿色植物对大气中自由氧的贡献就是一个明显的例子。同样地，大气层的变化亦影响生物圈甚钜，例如地质史上有名的白垩纪—三叠纪灭绝事件（K-T extinction event），目前的理论认为是天体（大流星或彗星）撞击地面引起全球大气中充满灰尘，阻绝了太阳辐射，致使地表变冷，而许多生物（如恐龙类）无法承受环境的剧变而灭绝。
历史上，大气的异常变化常造成严重的水灾或旱灾，因而引起社会动荡不安，亦有政权因此崩溃（例如中国明朝末年），严重者甚至会使整个文明消失。
自从人类出现後，生物圈与大气层的相互影响似乎更为显着，尤其在工业革命之後更加剧烈。主要原因是人类从事广泛且活跃的工业活动，必须使用巨量能源，其中最普遍的方式是燃烧化石燃料，如煤、石油，因而产生大量的温室气体（诸如二氧化碳）及大量非地表环境原有的化学物质（例如氟氯化物）。温室气体增加，直接影响地表的辐射平衡，可能导致全球增温现象；而氟氯化物则影响平流层的臭氧浓度，导致南极上空的臭氧洞问题。由於化石燃料中又杂有不少硫化物，燃烧时会产生二氧化硫，与云雨作用後产生酸雨。而燃烧过程也同时产生大量液态及固态悬浮粒子，对地表的辐射平衡产生巨大影响。
而由於工业活动的缘故，人们聚居於都会区，全球超过百万人口的大都市急剧增加。为应付这些人口的食衣住行之所需，因而引发了热岛效应，而空气调节器及交通工具等设施的集中则引发了光化学烟雾的问题。时至今日，科学界已逐渐了解生物圈的改变必然对大气环境产生重大冲击，这个议题已经引起世界各国政府的重视，国际社会必须对大气环境问题采取有效对策。
陆、大气科学研究发展与台湾现况
大气科学是关系国计民生的科学，天气及气候和人类活动及文明演进息息相关，例如埃及、巴比伦等古文明的发生地，便常位於年等温线约摄氏20度附近，中世纪维京人的兴衰也与气候有关，中国也常由於气候异常引发天灾人祸，甚至进一步造成改朝换代。
现代大气科学的研究，可以说是奠基於1920年挪威学派的极锋学说，以及英国理查逊（L. F. Richardson）的数值天气预报理论。极锋学说认为，水平性质相近的大范围空气形成气团，锋面则是不同气团之间的交界面，天气变化受到气团和锋面移动与性质变化的控制。大气的运动与变化，受流体运动定律、能量守恒定律、质量守恒定律及气体状态方程式所控制，这些方程式十分复杂，不能以一般数学方法求得解析。理查逊的数值天气预报理论，首先将风场、气压、气温等三度空间观测资料作为初始场，代入数值积分公式中，计算各变数未来的数值。
大气科学虽然奠基於1920年代，却迟至1950年代，发明电子计算机、建立气象观测网、大量优秀科学家投入研究行列、理论基础发展完全之後，才开始急速发展；气象卫星和气象雷达的发明、使用，更加强对大气的监测能力。目前，大气科学已发展为一门复杂而范围广泛的科学，大致可分为大气动力、大气物理和大气化学等范畴。
大气动力主要从事大气现象与变化的观测分析、预报和理论研究，可说是大气科学的主流工作。以下分三方面来讨论：
一、中纬度天气变化
目前气象学家对於影响中纬度天气系统之移动及强度变化，已有相当深入的了解。考量地表所接收的太阳辐射总量和放射出的地球辐射量两相的平衡，大气的净辐射能，在低纬度为正值，在高纬度为负值，因此在北半球产生南暖、北冷的温度梯度。此南北气温梯度的增加，即代表大气中基本可用位能（可转换为动能的部分）的增加。当南北气温梯度增加至某一程度时，则造成范围几千公里的高、低压天气系统（综观尺度系统）振幅增大，称之为斜压不稳定度。此综观尺度系统因斜压不稳定而成长时，伴随之流场使得暖区的空气往北流动，而冷区的空气往南流动（见图4），会减弱南北气温梯度，亦即减少大气中之基本可用位能，而增加该天气系统之可用位能。
同时，因冷区空气下降而暖区空气上升，重心降低，减少该天气系统之可用位能并转换为动能，促成天气系统的强度增加。综观尺度天气系统中，北半球往南、往下流动的冷空气即造成寒流，而往北、往上流动的暖湿空气则促成大范围的降水。因此，综观尺度天气系统除了扮演大气环流中能量输送与转换等重要角色以外，也是造成大范围天气变化的主因。
目前欧、美、日等先进国家以及中央气象局，均将数值天气预报列入日常作业中。利用电脑，以数值方法积分大气控制方程式，客观地计算天气系统的移动和强度变化，作为数日天气预报的基础。
此外，在中纬度气象学中，了解较少但较受重视的课题是范围几百公里的中尺度天气系统，以及综观尺度或范围更大的系统间能量交换问题。前者控制一天以内较精确的天气变化，其结构和起因等动力学仍有待进一步的了解；後者则牵涉天气系统范围尺度及型态的改变（称为非线性作用），其变化较缓慢，将影响三天以上、一周以内的天气预报（展期天气预报）。
二、热带天气变化
因为热带地区南北气温梯度微弱，基本可用位能较少，所以热带地区的环流与中纬度迥异。斜压不稳定并非是热带天气系统发展的主要原因，基本可用位能也不是天气系统的主要能量来源。然而，热带地区的暖湿空气对流上升时，水气很容易凝结、释出潜热；而下沉时空气乾燥，是晴空区域。此一非绝热作用过程，是东风波（即热带综观尺度系统）和台风等热带天气系统发展的重要因素，这些低纬度系统所造成的天气，主要是大量的降水，而不是气温的变化。
因为低纬度地区观测资料不足，早期从事热带气象研究的人员也较少，所以目前对於东风波和台风的起因及结构等动力的了解仍显不足，而热带气象学的发展也较温带（中纬度）气象学来得迟缓。热带气象学起源於1950年代李尔（H. Riehl）的东风波结构理论，但这门学科的急速发展则是1970年代以来。近年来，有许多国际合作的大型热带气象研究计画，其中以「大西洋热带实验」最为重要。此实验於1974年夏季在大西洋热带地区举行，有72国参加，共提供了13架飞机、38艘船、6颗卫星、大量的地面和高空测站、海上飘浮站及雷达等，从事大量且密集的观测工作。目前，许多科学家仍在分析研究这些丰富的观测资料，期望对热带气象有新的认识。
至於有关中低纬度大气交互作用的了解则更为缺乏。这一方面也有一个国际合作的大型「季风实验」研究计画。此实验於1978-1979年冬季在南海地区举行大气密集观测，主要目的在研究东亚中纬度寒潮系统，与印尼、马来西亚等低纬度地区强烈降水的相互关系。台湾气象界曾透过与美国的合作参加此实验，以期获得密集观测资料，增进对台湾地区天气的了解。另外，「季风实验」计画亦於1979年夏季，在印度及阿拉伯海季风区域从事观测实验。
三、气候变化
气象学家对於气候变化的认识与了解，仍然非常缺乏，许多气候变化的问题，譬如明年冬天是否较冷、是否已进入冰河期、乾燥期将持续多久、人类工业化是否使全球气温增高等等，科学家目前仍无法完整回答。因此，气象学家乃致力於大气能量转换、输送与平衡、数值模拟、太阳轨道及释出能量之改变、火山爆发及人类工业化的影响等方面的研究工作。他们期望能了解控制全球及区域性气候变迁的主要因素及物理过程，其长期目标是发展气候预报所需的知识和技术。
海气交互作用为了解气候变化的重要环节之一，尤以热带地区影响最为剧烈。因此，世界气象组织（World Meteorological Organization，简写为WMO）成立热带海洋全球大气计划（Tropical Ocean Global Atmosphere Programme，简写为TOGA），进行1985-1994年为期10年的系统研究，在热带海洋广设海洋观测站来收集资料，并发展海洋预报模式，观测、理论与模拟并重。西太平洋热带地区的海面温度经年维持28℃以上，是全球大气对流最旺盛的区域，大量的潜热释放影响了全球的大气环流，进而回馈到海洋，这些大气、海洋变化包含多重尺度的交互作用。TOGA科学家为了解这些现象，在1992-1993年进行「偶合海洋大气反应实验」（Coupled Ocean Atmosphere Response Experiment，简写为COARE）。TOGA COARE为一个国际观测实验，参加国家除了台湾之外，有美国、法国、英国、日本、韩国、中国、苏联、澳大利亚、纽西兰和印尼等。
除了大气动力之外，大气物理和微气象也是近年来急速发展的学科。大气物理主要包括大气辐射原理、云的物理过程、大气电学及高层大气等，研究结果可提供前述大气长短期变化的物理基础。另外，大气辐射原理又提供人造气象卫星观测大气变化的基础；云物理的知识则提供消雹、去雾、台风等天气改造的基础。
微气象偏重於研究局部或小范围地区的变化，包括局部环流、边界层气象、大气与海洋之交互作用等。微气象直接影响人类活动及国计民生，可应用到水文气象、生物及农业气象、大气扩散及空气污染、风力研究等。
此外，大气化学目前也有相当重要的发展，例如平流层臭氧洞的问题、温室气体和气候变化的问题，以及气胶对气候的影响等。
就台湾而言，大气科学研究发展的主轴包括剧烈天气、气候变异及大气环境等三大方向。其中，与剧烈天气直接相关的台风／豪雨研究则是影响台湾社会民生最钜的议题。台风是流体力学在大自然所展现的绝妙特例。台风系统包括旋转涡流、位流、层化流体、热力湿对流、独特的台风眼动力、状似星云系轴臂的不对称螺旋雨带、大气与海洋交互作用等物理过程，都是极具挑战的重要科学问题。另外就实用观点而言，台风是自然界最具破坏力的天气系统之一，除了风力之外，伴随的豪雨也是导致台湾地区最严重灾变的天气现象。如何提升我们对於台风的了解及预报能力，是国内大气科学研究最重要的课题之一。
由於台风的生命期绝大部分皆於海面上度过，而西北太平洋岛屿中观测站稀少，尤其是在台湾的东－东南方数千公里以上之太平洋地区，几乎没有任何观测站。因此当台风位於台湾附近时，台湾本岛虽有观测资料，但测站涵盖空间及密度仍显不足，而台湾周围海域除卫星和雷达观测外，几无任何其他传统观测资料。资料的极度匮乏，导致基础台风研究和路径预报之应用研究相当受到限制，其中，路径预报的准确度则会进一步决定风雨预报能力。因此，和其他的气象研究条件比较，资料缺乏是台风研究进步的最大致命伤。
台风路径预报作业上，除了大尺度驶流场的资料不足外，台风本身的强度及暴风半径资料不易掌握，更是决定预报路径正确性的重要因子。此外，当台风接近台湾地区时，中央山脉高耸复杂的地形，对台风伴随之中尺度对流和环流结构有相当显着的影响，且复杂的地形会改变靠近台湾之台风的路径，也使风雨与路径预报更为困难。地形作用所导致的台风中尺度结构变化，中、小尺度对流系统与豪雨的产生，乃至台风离台後引入豪雨的相关研究，皆为学术上与应用上深具挑战的研究课题。
为了克服传统观测资料不足之困境，应特别加强观测资料（含传统探空及先进的飞机、雷达与卫星资料等）之取得与分析。透过数值模式进行模拟及同化，以了解台风生成、移动、强度变化以及与地形的交互作用。另外，与台风相关的重要议题，如云物理（含气胶）及动力交互作用、中尺度对流与台风伴随的降雨研究、海气交互作用、大尺度环流及气候变异与台风的关系等等，都是台风研究中有待突破的重大主题。上述研究一方面可增进对於台风动力理论之了解，另一方面则可改进台风路径与降雨量预报的准确度，提昇我国在台风研究与预报领域的国际地位。
换言之，台湾的台风研究正以突破性台风观测、台风之动力探讨、模拟预报改进与四维同化研究，及跨领域和跨尺度之台风海气交互作用与台风气候为主轴，透过一系列的研究工作，一方面深入探索台风学理，一方面则结合学术成果加以应用，有效改善台风预报，对於科学本质及社会民生均能有具体贡献与回馈。如行政院国家科学委员会（简称国科会）与中央气象局自2003年起所推动的「侵台台风之飞机侦察及投落送观测实验」（简称追风计画）便是一例。此计画使用汉翔公司ASTRA飞机与机载垂直大气探空系统（Airborne Vertical Atmospheric Profiling System，简写为AVAPS）设备，以每架次约6小时的时间直接飞到台风周围43,000英尺的高度投掷投落送，进行策略性台风观测，以取得台风周围关键区域的大气环境温度、湿度、气压以及风速等资料，并即时传送至中央气象局与全球主要气象中心进行台风分析与电脑模拟及预报。此计画使台湾在国际台风研究领域中进入新的里程碑，扮演西北太平洋及东亚地区台风研究的领导角色。
大气之短期及长期变化均甚复杂，且影响国计民生至钜，是一门极具挑战性的科学，需要更多优异人才从事突破性的研究，以增进对大气的了解与预报能力；同时也须加强大众的科普教育，增加大众对大气科学和天气预报的了解，以防患於未然，降低无谓的损失、增进人民的福祉。
参考资料
延伸阅读