Các quốc gia cổ đại đều có cơ quan khí tượng và các viên quan chuyên làm công việc này.
Ở Việt Nam hay Trung Quốc thời xưa, các triều đại phong kiến thành lập Khâm Thiên Giám là cơ quan theo dõi khí tượng, làm lịch, xác định mùa vụ.
Ở nước ta, từ thời Trần, đời vua Trần Hiến Tông, sử ghi có viên quan Hậu nghi lang Thái sử cục lệnh là Đặng Lộ, đã làm một dụng cụ quan sát thời tiết gọi là “linh lung nghi”. “Đại Việt sử ký toàn thư” viết rằng dụng cụ này của ông “khảo nghiệm thiên tượng, không việc gì là không đúng”.
Theo dự đoán của các nhà nghiên cứu ngày nay, dụng cụ “linh lung nghi” có lẽ bao gồm hệ thống các quả cầu, vòng xoay để mô tả quỹ đạo của Mặt trời, Trái đất và các ngôi sao, nhờ đó nhà khí tượng có thể xác định các hiện tượng thiên văn, qua đó đoán trước về các hiện tượng thời tiết.
Đặng Lộ theo ghi chép của sử xưa, quê ở huyện Sơn Minh (Ứng Hòa, Hà Nội ngày nay). Ông được xem là nhà khoa học thiên văn thực nghiệm sớm nhất của nước ta vào thời xưa. Mặc dù vậy, lúc đó ông là quan ở bộ phận chép sử, chứ không phải ở Khâm Thiên Giám, cơ quan chuyên quan sát thiên văn, thời tiết, xuất hiện ở nước ta từ thời Lý.
Đặng Lộ là người nghiên cứu sâu về lịch pháp, nên vào mùa Xuân năm 1339, ông tâu lên nhà vua rằng lịch các đời trước đều gọi là lịch Thụ thì nay xin đổi tên thành lịch Hiệp kỷ và được nhà vua y theo.
Thời Lê, cơ quan nghiên cứu thiên văn khí tượng có tên gọi Tư Thiên Giám, tuy nhiên có lẽ cái tên Khâm Thiên quen thuộc với dân gian hơn, và dấu tích của cơ quan này chính là tên phường Khâm Thiên ở Hà Nội.
Sang thời Nguyễn, vua Gia Long chính thức đổi tên cơ quan này thành Khâm Thiên Giám, đặt trụ sở ở kinh thành Phú Xuân. Theo bộ chính sử của nhà Nguyễn “Đại Nam thực lục”, thì ở các địa phương, vua đều yêu cầu quan lại ghi chép các hiện tượng thời tiết vào “nhật ký phong vũ”.
Như năm Minh Mạng thứ 3 (1822), Quảng Trị có sâu keo làm hại, quan ở dinh (khi đó chưa thành lập các tỉnh) không báo, chỉ ghi vào sổ nhật ký phong vũ. Vua Minh Mạng biết tin, quở mắng các quan địa phương, sau đó sắc cho Khâm Thiên Giám từ đó về sau, các thành, dinh, trấn có dâng bản đồ nhật ký phong vũ, nếu có những tai nạn gió bão, mưa đá, hạn, lụt thì phải tóm lấy những điều lớn tâu lên.
Cũng theo “Đại Nam thực lục”, năm Minh Mạng thứ 7 (1826), nhà vua đã cấp cho Khâm Thiên Giám hai thước phong vũ và hàn thử. Sách giải thích: Thước phong vũ chuyên xem mưa gió thuận nghịch, lớn nhỏ, xét nghiệm ghi chép hằng ngày. Thủy ngân nấu với thuốc đựng ở trong ống pha lê ở độ nào, phân nào, ví như ở 28 độ 4 phân, bỗng lên cao 1 phân, về mùa Xuân, mùa Hạ thì có gió Đông Nam, về mùa Thu, mùa Đông thì có gió Đông, hay Đông Bắc, đều là gió nhỏ hoặc mưa nhỏ, khí hậu ôn hòa, thế là thuận.
Thủy ngân mà lên 2 phân, thì gió mưa hơi to, hoặc nắng to nóng dữ. Bỗng thụt xuống 1 phân, về Xuân, Hạ thì có gió Tây Bắc hay gió Bắc, về Thu, Đông thì có gió Tây Nam hay gió Tây, hoặc mưa to gió lớn, khí hậu rét lạnh, hoặc oi bức khó chịu, thế là nghịch.
Nếu mực thủy ngân sụt xuống 2, 3 phân thì có bão. Nếu bỗng sụt xuống lại lên ngay thì khí nhẹ dễ tan, thì có gió mưa cũng không to lắm. Bỗng lên rồi lại xuống ngay là khí bất chính xông tới, tất ngày hôm ấy hoặc 2, 3 ngày sau có gió mưa, nếu không gió mưa thì khí hậu không hòa, nhưng chỉ qua loa thôi.
Nếu mực thủy ngân bỗng sụt xuống 1, 2 phân mà trời đã mưa gió to, thấy thủy ngân dần dần lên, thì gió mưa trong một ngày hay vài giờ thôi, như lên chóng thì mưa gió chóng tạnh.
Còn thước hàn thử thì giống nhiệt kế chúng ta vẫn sử dụng ngày nay. Tuy nhiên với hoàn cảnh nước ta gần 200 năm trước thì cũng là một loại sản phẩm rất hiện đại. Các sử quan triều Nguyễn đã mô tả chi tiết cách thức hoạt động của thước này như sau: Lấy mực nước ở trong ống (pha lê) lên xuống cao thấp mấy độ mà xét nghiệm. Trên thước có nét gạch ngang là chỗ bắt đầu xem nóng lạnh, như ở Kinh sư (Huế), theo thường mà nói, ngày Hạ chí thì nước ở trong ống từ chỗ gạch ngang tính ngược lên khoảng trên dưới 27, 28 độ; đến ba tiết phục là lúc rất nóng cũng chỉ dưới 29 độ thôi; ngày Đông chí thì trên dưới 15 độ, 16 độ.
Trước sau tiết Đại hàn vài ngày, hoặc cuối Đông đầu Xuân, nếu gặp gió bấc, mưa dầm mấy ngày liền, cũng chỉ 14 độ thôi. Từ trước đến nay không bao giờ cực nóng đến trên 35 độ và cực rét đến dưới 10 độ.
Phàm các nước ở dưới đường xích đạo cùng ở phía Nam, có chỗ mùa hạ nóng hơn 40 độ; nếu đến 50 độ trở lên thì nóng dữ là thường. Các nước từ vài chục độ trở lên ở phía Bắc xích đạo thì mùa Đông rét xuống đến gạch ngang thì nước đóng thành băng chắc xe sắt có thể đi qua được; nếu xuống hơn 10 độ thì “rách da rụng ngón tay”.
Sau khi cấp các loại công cụ này, vua Minh Mạng dụ bảo bộ Lễ rằng: “Thước hàn thử vốn có độ thường, như khí trời tạnh sáng thì khí dâng lên, âm u thì khí sụt xuống, biết trước khí hậu cái ấy rất nghiệm. Nếu ấm áp mà khí xuống, âm u mà khí lên thì là khí bất chính, nhân dân dễ sinh bệnh tật. Lấy thước ấy để đo lường khí hậu thực là phép diệu. Biết xem xét kỹ thì suy tính không sai”.
Sau đó, vua sai cấp cho Gia Định và Bắc Thành hai thước phong vũ và hàn thử và cho Tuyên Quang, Lạng Sơn ở cực Bắc và Hà Tiên ở cực Nam, ba trấn ấy mỗi trấn một cái thước hàn thử để xét nghiệm đến cuối năm thì biên gộp đưa về bộ để tâu lên.
Vua dụ rằng: “Đấy là một điểm trong việc trẫm thiết tha nghĩ đến đời sống của dân mà xét nghiệm mưa nắng”.
Trước đó, Khâm Thiên Giám đã được cấp các loại kính thiên văn nhập khẩu từ phương Tây để quan sát Mặt trời, Mặt trăng và các vì sao.
Năm Minh Mạng thứ 11 (1830), vào tiết Hạ chí, Khâm Thiên Giám của triều Nguyễn đã tiến hành đo độ cao của Mặt trời ở kinh sư để dâng lên. Nhưng khi nhà vua xem bản vẽ mới chỉ cho là sai. Vua Minh Mạng dụ các quan Khâm Thiên Giám rằng: “Bọn ngươi chức vụ là việc xem xét khí tượng mà không có kiến thức đích xác như thế, đáng lẽ giao nghị tội, nhưng còn nghĩ trước đây suy toán phép lịch biết được giây phút nguyệt thực lại tròn và trích ra được chỗ lầm của người Thanh cũng là đáng khen, nay hãy miễn cho. Sau này phải cho tinh tường hơn, không có một chút sai lầm mới được”.
