Теоретические методы базируются на использовании математических моделей различных атмосферных процессов. Важнейшим направлением этого метода является совершенствование техники прогнозов погоды. Начало истории развития метеорологии уходит в глубокую древность. Упоминания о различных атмосферных явлениях встречаются у большинства народов древности. Из летописей средневековья до нас дошли сведения о различных явлениях природы, в том числе: бурях, грозах, ранних снегопадах, сильных морозах, наводнениях и т.д. В эпоху великих географических открытий (XV и XVI вв.) появились климатические описания открываемых стран.

Научное изучение атмосферы началось с XVII в. и совпадало с периодом бурного развития естественных наук. Были изобретены: термометр (Галилей,1597 г.), барометр (Торичелли,1643 г.), дождемер, флюгер. М.В.Ломоносов в середине XVIII в.изобрел анемометр для измерения скорости ветра, разработал схему образования грозы. Регулярные метеорологические наблюдения в России начали проводиться при Петре I. В 1849 г. в России было открыто первое в мире научное метеорологическое учреждение - Главная физическая (ныне Геофизическая) обсерватория им. А.И. Воейкова.

В XIX в. начинает развиваться сеть метеорологических станций. В 50-е годы XIX в. получила развитие синоптическая метеорология.

Основой для изучения атмосферных процессов и использования этих знаний для практических целей служат наблюдения за фактическим состоянием воздушной среды на сети метеорологических станций. В России во второй половине XIX в. стала создаваться сеть наземных станций, развитие которой связано с именами Г.И. Вильда и М.А. Рыкачева.

С появлением летательных аппаратов люди получили возможность изучения атмосферы в слоях, удаленных от земной поверхности. Позже такие наблюдения приобрели регулярный характер.

В 1930 г. советский ученый П.А. Молчанов изобрел радиозонд, что позволило дополнить наземные наблюдения на метеорологических станциях аэрологическими наблюдениями.

Сеть метеостанций

С середины XX в.в практику метеорологических наблюдений стали входить метеорологические радиолокаторы, ракетное зондирование атмосферы.

Современные прогнозы погоды не обходятся без информации, получаемой с метеорологических искусственных спутников Земли. Успехи изучения физических процессов в атмосфере тесно связаны с достижениями в таких разделах физики, как: учение о газах, учение об излучении, гидростатика, гидродинамика, термодинамика,на базе которых были заложены основы динамической метеорологии.

В 50-е годы XIX в. зародилось новое направление в метеорологии - синоптическая метеорология.

В 20-е годы XX столетия норвежскими учеными В. Бьеркнесом и Я. Бьеркнесом было создано учение о воздушных массах и атмосферных фронтах, что продвинуло вперед синоптические методы прогнозов погоды.

Важный этап в развитии климатологии - внедрение

картографического метода: с его помощью оказалось возможным выявлять основные закономерности распределения метеорологических элементов на больших пространствах, соизмеримых с материками. Первая карта изотерм земного шара была составлена А. Гумбольтом (1817 г.), а карты изотерм января и июля - французскими учеными. Первые карты изобар, отображающие распределение атмосферного давления, были построены Буханом в 1869 г.

Одна из первых классификаций климатов, получившая широкое практическое применение, была предложена В.П.Кеппеном.