对自由大气各气象要素的直接或间接观测。

高空观测是地面附近以外的大气探测，是由气球携带的探空仪器完成的。探空仪带有测量大气温度、湿度和气压的传感器，探测结果再通过无线电报的形式传送回地面探空站，同时使用雷达对探空气球进行追踪，根据探空气球的运动轨迹推断大气各个高度的风速风向。

除了观测站用气球携带探空仪器进行常规高空观测外，高空观测的方式还有多种，如飞机观测、GPS水汽观测、下投式探测、定高气球以及外形观测等。

在所有高空观测方式中，常规高空观测历史最长，资料质量比较稳定。在中国，常规高空观测每隔12小时进行一次，观测时间为世界时00时和12时，分别对应北京时间08时和20时。常规高空观测的局限性是只能观测固定台站附近的高空大气状况。

全世界探空站总数约1000个，能正常运行的不足600个；中国共有探空站124个。探空站的分布非常不均匀，在海洋上和人口分布稀少的地区，探空站数量很少。

高空观测中，除探空站探测外，还有人工释放的气球和先进的气象卫星探测。极轨气象卫星上带有垂直探测器，可以测量红外到微波几十个通道的大气垂直向上的辐射，可以提取出有关大气温度垂直分布信息，虽然其垂直分辨率与探空相比较低，但它可以弥补海洋上和陆地上人口稀少地区高空探测的不足，，对于完成高质量的大气观测和天气分析预报具有重要的意义，但通过极轨卫星无法获得大气湿度和风的垂直分布信息。