Depuis toujours, les services de l’État en charge de la météorologie se sont attachés à produire des observations régulières de qualité et documentées. La plus ancienne station encore en service a été ouverte en 1870 dans le parc Montsouris, à Paris.
En 1855, parmi les établissements scientifiques étatiques, seuls deux des observatoires astronomiques effectuent des observations météorologiques quotidiennes régulières. En 1869, la ville de Paris met à la disposition du ministère de l'Instruction publique le palais du Bardo, initialement conçu pour l’exposition universelle de 1867, qui sera reconstruit dans le parc Montsouris pour fonder l'observatoire météorologique central de Montsouris. Les instruments y sont relevés huit fois par jour dès décembre 1869. La guerre de 1870 entraîne momentanément la suspension des observations. Depuis juin 1872, les observations météorologiques quotidiennes y sont ininterrompues. Elles sont consignées quotidiennement dans un registre depuis 1890.
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Le Bureau central météorologique, créé en 1878, organise le réseau d'observations météorologiques français et s'attache à créer de nouveaux observatoires météorologiques. En 1879, le réseau météorologique français se compose de cinq observatoires astronomiques, trois observatoires météorologiques et deux observatoires de montagne. Le réseau compte quinze observatoires en 1895. L'observatoire du mont Aigoual est inauguré le 18 août 1894. Les registres d'observations y sont tenus à partir du 1er décembre 1894 par un garde forestier. L'Aigoual, géré par l'administration des forêts jusqu'en 1943 et aujourd'hui par Météo-France, constitue le dernier observatoire météorologique de montagne en activité en France.
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En 1878, le ministère de la Marine charge onze sémaphores d’effectuer des observations météorologiques quotidiennes et de les transmettre par dépêches au Bureau central météorologique. Jusqu’en 1895, le service de climatologie collecte les tableaux d'observations de cinq sémaphores seulement. Par la suite, les accords avec le ministère de la Marine lui permettent de recevoir les tableaux mensuels de trente-deux postes. Le chef guetteur du sémaphore relève les observations météorologiques trois fois par jour ainsi que l'état de la mer et les consigne dans un imprimé du ministère de la Marine jusqu'en 1924.
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Le service de climatologie du Bureau central, chargé d'organiser et d'inspecter les observatoires météorologiques, estime nécessaire de visiter chaque station (observatoires, Écoles normales et sémaphores) au moins tous les quatre ans. Le météorologiste-inspecteur rédige un compte rendu de quatre pages avec la description de l'environnement de mesure et des instruments utilisés (baromètre, abri, thermomètres, pluviomètre, girouette). Brazier, météorologiste-adjoint du service de la climatologie, inspecte l'observatoire astronomique de Bordeaux le 7 juin 1910.
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À la fin du XIXe siècle, l'emploi des instruments enregistreurs se généralise dans les observatoires météorologiques. Ceux-ci permettent de diminuer le nombre d'observations à lecture directe, notamment pendant la nuit, et de suivre en continu les variations des paramètres météorologiques. Les instruments enregistreurs les plus répandus sont le baromètre, le thermomètre et l'hygromètre. Tous les observatoires rattachés au Bureau central météorologique en sont dotés.
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La Première Guerre mondiale accélère considérablement le développement de l'aviation. Le gouvernement français décide de réglementer le trafic aérien dès 1919 et crée à cette fin le Service de la navigation aérienne. Ce dernier implante rapidement des postes météorologiques sur les terrains d'aviation. Le réseau en compte vingt-six en mars 1921. La vie de ce service est brève puisqu'il est rattaché dès le 15 janvier 1921 à l'Office national météorologique. Le registre d'observations quotidiennes de la navigation aérienne est néanmoins utilisé jusqu'en avril 1923 dans les anciens postes du Service.
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L'Office national météorologique, créé en novembre 1920 par fusion du Bureau central météorologique, des services météorologiques de la navigation aérienne et ceux de la météorologie militaire, s'organise progressivement. En 1921, le compte rendu quotidien de l'Office national rempli par les stations contient les observations horaires faites pendant les heures d'ouverture de la station : pression barométrique, direction, vitesse et force du vent, quantité et nature des précipitations, température, humidité, phénomènes, état du ciel et transparence de l'atmosphère.
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La réorganisation de l’observation météorologique se traduit par la mise en place d’un compte rendu quotidien remanié (CRQ) le 1er mai 1923. Il s’inspire du carnet d’observations du Service météorologique aux armées en intégrant un tableau d'observations horaires, un descriptif du temps sensible, une représentation graphique de l'état du ciel et des observations en altitude. Cet imprimé de quatre pages est l'archive de référence de l’observation météorologique d’une station météorologique française jusqu'en décembre 1995.
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Chaque station de l'Office national météorologique doit rédiger plusieurs documents météorologiques : la feuille-brouillon d'observations, le compte rendu quotidien d'observations, la feuille d'orages et de grêle, la carte hebdomadaire, le tableau climatologique mensuel, le carnet de sondages, les diagrammes d'enregistreurs. Toutes les observations sont inscrites sur le compte rendu quotidien, rédigé au jour le jour d'après la feuille-brouillon d'observations. Une copie en est envoyée quotidiennement à la Direction de l'Office national météorologique. Le tableau climatologique mensuel, à envoyer quant à lui dans les cinq premiers jours du mois suivant, comprend quatre pages : la première contient des indications générales concernant le poste et le résumé du mois et les trois autres, les observations faites à 7h, 13h et 18h UTC.
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Le compte rendu quotidien évolue de 1923 à 1980 dans sa forme et son contenu. De nouveaux paramètres et de nouvelles informations apparaissent de 1926 à 1956 et les consignes évoluent en fonction des besoins de la société, en particulier ceux de l'aviation et de l'agriculture. En 1936, le nouveau compte rendu comporte une nouvelle rubrique indiquant les coordonnées géographiques précises du poste, la hauteur de la cuvette du baromètre au-dessus de la mer, la hauteur de l’entonnoir du pluviomètre et la hauteur de l’anémomètre. Les heures d’observations - 1h, 4h, 7h, 10h, 13h, 16h, 18h et 22h UTC - sont imposées et pré-imprimées.
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Au 1er janvier 1945, les horaires des observations à inscrire sur les documents météorologiques et la journée climatologique pour la mesure des températures extrêmes quotidiennes changent : la température minimale est relevée à 9 heures du matin au lieu de 7 heures et la maximale mesurée à 21 heures contre 18 heures auparavant. Pendant toute l'année 1945, les observateurs utilisent encore les formulaires du compte rendu quotidien diffusé en 1944 et modifient les heures pré-imprimées à la main. Les heures synoptiques internationales sont les mêmes depuis 1945 : 0h, 3h, 6h, 12h, 15h, 18h et 21h UTC.
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Le décret du 29 avril 1929 crée et organise un service météorologique colonial qui dépend du ministère des Colonies. L'arrêté du 21 novembre 1945 unifie les services météorologiques français de tous les territoires et organise la direction de la Météorologie nationale, nouveau service météorologique de l’État. Depuis, la Météorologie nationale est présente sur plusieurs continents, de Saint-Pierre-et-Miquelon à Kerguelen. Les stations météorologiques professionnelles d'outre-mer remplissent les mêmes documents météorologiques que ceux de la métropole à partir de 1946.
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Dès 1952, chaque station doit remplir, environ tous les cinq ans, une fiche de renseignements de six pages indiquant les caractéristiques du site de mesure. Cette fiche est assortie de photographies de la station et du parc à instruments. En 1962, elle s'enrichit d'une annexe décrivant tous les instruments utilisés. Les travaux de sauvetage de données climatologiques anciennes menés par les équipes de Météo-France s'attachent à inventorier, préserver, numériser et valoriser ces fiches, mémoire de l'histoire des stations, afin de documenter et qualifier les séries d'observations météorologiques.
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L’automatisation progressive des stations de mesure débute en 1969 et s’accélère au début des années 1980. En 1987, le réseau synoptique français métropolitain compte 138 stations météorologiques, 136 postes auxiliaires et 51 sémaphores de la Marine nationale dont 48 stations automatiques. Suite à l'automatisation des mesures et à l'archivage des données dans la base de données climatologiques de Météo-France, les imprimés climatologiques manuscrits disparaissent à la fin du XXe siècle.
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