Polegają one na pomiarach przesyłanych na Ziemię za pomocą sondy meteorologicznej umocowanej do balonu meteorologicznego. Sonda zawiera podstawowe instrumenty takie jak pomiar ciśnienia czy temperatury. Z kolejnych pomiarów położenia balonu można wywnioskować o prędkości i kierunku wiatru. Tego typu synoptyczne, czyli jednoczesne na całym świecie, pomiary wykonywane są przez stacje pomiarowe co 12 godzin (słowo synoptyczny pochodzi od greckich słów syn – razem, w tym samym czasie i optic – widoczne, czyli widoczne jednocześnie). Podobne sondaże można dostać ze startujących i lądujących samolotów pasażerskich. Duży problem w zbieraniu danych stanowią obszary oceaniczne. Tutaj wykorzystuje się pomiary z boi oceanicznych, z pomiarów ze statków, oraz z pomiarów satelitarnych.
Coraz częściej pomiary bezpośrednie uzupełniane są pomiarami satelitarnymi. Za pomocą pasywnych metod pomiarowych polegających na obserwacji promieniowania elektromagnetycznego (widzialnego, słonecznego, podczerwonego, ultrafioletowego, i mikrofalowego) uzyskuje się informacje na temat rozkładu temperatury na powierzchni oceanu, zmian temperatury z wysokością, oraz kierunku i prędkości wiatru nad powierzchnią oceanu.