根據天氣學和動力氣象學的原理，對天氣圖和各種探測資料進行的分析。通過天氣分析，可瞭解天氣系統的分佈狀況和空間結構，弄清天氣系統和天氣變化的關係及其演變的過程和原因，進而判斷未來天氣變化的趨勢，為天氣預報提供依據。只有在正確的天氣分析的基礎上，才能作出正確的天氣預報。
天氣分析的內容隨電子計算機和大氣探測技術的發展而不斷豐富。18、19世紀的天氣分析，只侷限於單站資料分析和地面天氣圖分析。20世紀30年代發明了無線電探空儀之後，天氣分析才從二維的平面分析擴大到三維的空間結構的分析。到了20世紀40年代末，天氣雷達的使用，又為降水系統和強風暴系統的水平結構和鉛直結構的分析提供了方便。60年代初，氣象衛星的發射成功，衛星資料的分析就成為天氣分析中的一個重要部分。同時高速電子計算機的出現，又為計算和分析各種物理量場，並將其結果用於氣象業務提供了可能性。氣象衛星資料的有效利用和高速電子計算機的應用，以及四維同化等問題（見數值天氣預報資料的處理和分析），是天氣分析中正在發展的內容。
在天氣圖上，分析某地區的天氣系統和大氣狀態。其中包括：
（1）氣壓分析。用等壓線或等高線表示空間氣壓的分佈。
（2）氣溫分析。用等溫線表示大氣中冷暖氣團的分佈和大氣的熱力結構。
（3）溼度分析。用等比溼線或等露點線表示大氣中水汽含量的分佈。
（4）風場分析。用流線和等風速線表示大氣流動的特點。在這些分析的基礎上，可以進行氣團分析、鋒面分析和氣壓系統（或風場系統）分析等。
利用大氣探測資料或者經過加工的資料(見氣象資料處理)，計算各種大氣物理量，並通過大氣動力方程和物理方程對大氣環流和天氣系統進行定量的物理分析，是從20世紀70年代初發展起來的分析技術。這種分析方法比天氣圖的定性分析方法更好。通過診斷分析可以進一步瞭解天氣系統發生和發展的物理機制，為天氣預報提供了客觀的物理依據。常用的物理量有能量、鉛直速度、渦度、散度、水汽輸送等。例如能量診斷分析，就是從能量方程出發，計算引起能量變化的各種因子，分析它們的維持、平衡和轉換等問題。一般說來，動能的增加意味著天氣系統的發展，動能的減少常使天氣系統趨於衰亡。對成熟的氣旋系統的計算結果表明，動能主要在對流層上部和下部產生。由於下部氣流明顯地由高壓穿越等壓線流向低壓，這表明氣壓場對空氣塊作功而產生動能。當這個動能大於能量向系統外的輸出和摩擦消耗時，氣旋就得以維持和加強。由於應用了高速電子計算機，使診斷分析從歷史資料的分析研究發展為日常天氣分析業務的一種重要技術。
使用天氣雷達、氣象多普勒雷達、鐳射雷達（見鐳射大氣遙感）、聲雷達（見聲波大氣遙感）等的探測資料，分析幾百公里範圍內的大氣物理狀態和大氣運動情況。
應用衛星雲圖、衛星測風、衛星探空等資料，分析全球大氣中的雲、風、氣溫、氣壓、溼度等的分佈情況（見衛星氣象學）。
早期的天氣分析都是人工操作的，常把這種分析稱為主觀分析。使用高速電子計算機來模仿人工操作繪製天氣圖，並將氣象要素值內插到網格點上作為數值預報的初值的這種分析，稱為客觀分析，或稱計算機分析。但因計算機分析方案及其工藝等方面，還存在著一些缺點和不足之處，故不能完全用它替代人腦的分析和判斷。有一些天氣圖，先由機器分析，再由人工作出補充和修正分析，稱為人機結合分析。客觀分析的專案除了實況天氣圖之外，還有各種物理量的診斷分析和雷達、衛星影象識別等。
隨著衛星資料的不斷積累，以及大量非常規探測資料的使用，客觀分析有可能從分析一個時間多層次的資料發展到多個時間多層次的資料，從靜態分析發展到動態分析，從單純的擬合發展到四維資料的同化分析。現代的客觀分析提出了大氣總體系統的分解、協調和優化的理論模型，將資料分析和天氣預報聯絡在一起，使天氣分析預報向系統化、工程化和自動化方向發展成為可能。
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