地球上大氣的成分是氣體，既然是氣體，因此大氣是會流動的。就氣體 而言，描述氣體在當下的狀態，舉凡 溫度、壓力、濕度和風速等，並推估這些狀態在未來的時、空分布，這就是天氣預報。那，我們如何「推估」這些大氣狀態在未來的時空分布呢？我們可以憑經驗，例如用去年同一天的天氣來推估；也可以用持續法，例如用今天的天氣推估明天的天氣；當然，我們可以參考更多的資料，經由有效的訓練與經驗累積，同樣地也可以提升天氣預報能力。

但現今的天氣預報作業早已超越經驗掛帥的年代，而是積極採用科學的方法，即所謂的數值天氣預報技術，提供全球定時、定點、定量，一至七日的逐日天氣預報。甚或基於海水表面溫度可預報度之存在而提昇至季節乃至年際變化的預報，例如預報「聖嬰現象」的成功經驗以及3至6個月的短期氣候預報等。以上天氣或氣候預報能力之提升，無不建立在數值天氣預報技術的基礎。那，何謂數值天氣預報？如前所述，地球的大氣是會流動的氣體，我們針對這些流體未來運動的評估即為天氣預報。自1950年代開始，我們就理解到，地球大氣的運動情形和水的運動情形非常類似，雖然水和空氣表面看來具有截然不同的特性，但是就描述其流動 的道理而言兩者卻是相通的。因此氣象學家就把自牛頓以來發展的流體力學應用在探討大氣運動的問題上。

基本上，大氣或水運動的特性可以用一組以數學方程式表示的物理定理來表達，由這些物理定理可以計算大氣中的溫度、風向和風速及濕度等在未來的變化。如果我們可以求得這組代表物理定理的數學式 的解，我們就可以由目前的天氣狀態推衍出對未來天氣現象的描述，這也就是天氣預報。這組數學方程式可以簡化以概略描述大氣系統的運作，但是當我們對大氣的行為瞭解的越透徹，我們就能用更精確的數學來描述這個大氣系統，可以預期的，這個數學系統的解會越接近真實大氣的演變，因此，天氣預報的準確度也就隨之增加。

然而，隨著描述大氣運動過程的數學系統越趨複雜，我們反而無法在數學上用解析的方式求得完全正確的解答以提供我們對未來大氣行為的描述。在此 我們只能透過數值方法來獲得趨近解，同樣地，數值方法的精確度也會影響天氣預報的準確度。而將建構此一大氣系統的數學方程式利用數值方法以求解，並據以進行天氣預報，這就是我們所謂的數值天氣預報。

此一數值化的數學系 統則稱為數值模式，用以模擬地球大氣系統的運動行為。因此，數值天氣預報是一門結合大氣科學、數學與數值方法的科學，而隨著我們對大氣科學、數學與數值方法的精進瞭解，我們所賴以進行數值天氣預報的數值模式也就更接近真實大氣，其所求得的解同時也更接近實際大氣的運作，於是，天氣預報變得更準了。在另一方面，為能求得精確的數值解，電腦成為必要的工具，用來協助我們用一組有限的數值解來代表現在大氣的狀態並計算出大氣的未來狀態。

如果代表現在大氣狀態的數值解之空間解析度越低，那麼所得的大氣未來狀態就越不詳細、對天氣預報的助益就越小；如 果要提高代表現在大氣狀態的數值解之空間解析度，就得利用較昂貴的電腦資 源才能計算出解答來。當然，代表現在大氣狀態的解析度越高，所得的大氣未來狀態就越詳細、對天氣預報的助益就越大。是故，資訊（電腦）技術的進步 在數值天氣預報的應用發展上佔有極關 鍵性的地位，幾乎在任一時期數值天氣預報系統都使用了當代最快速的電腦。數值天氣預報系統也唯有使用最快速的 電腦才能展現其突出的預報應用價值。目前世界各先進氣象作業中心，仍然以採購最高價位的超級電腦為維持高水準 數值天氣預報作業的必要手段。

跟所有的數學問題一樣，對於一個包含時間、空間維度的數學系統求解，我們必須先提供這個數學系統一組初始的數據，用以代表當下地球大氣的特性，包括不同地點的溫度、壓力、風和濕度等。初始數據的精確度決定了數值解的精確度，也就是天氣預報的準確度，這對中短期數值天氣預報而言更是如此。這個數學系統所需的初始數據有 賴各種觀測系統對地球大氣的觀測，例如傳統氣象探空所提供的大氣三維溫度、濕度和風場的觀測，此仍是目前最 準確可靠的氣象資料來源之一。但是並非所有國家都有能力也有興趣支持此項觀測業務，例如非洲與南美的觀測就很少。再者，探空觀測有賴於人力作業， 因此廣大洋面的資料仍相當缺乏。