Pour caractériser le rayonnement reçu du Soleil, on mesure la durée d'insolation et différentes composantes du rayonnement solaire.

La durée d'insolation a longtemps été mesurée par des héliographes fonctionnant à l'aide de papier photographique ou héliographique (héliographe Jordan inventé en 1888) ou bien d'un carton, de couleur et de composition définies, sur lequel l'image du soleil, focalisée par une boule de verre, laisse des traces brunies ou carbonisées (héliographe Campbell inventé en 1853). Dans les héliographes actuels, le rayonnement solaire est intercepté par une fibre optique, animée d'un mouvement de rotation, qui le conduit vers une photodiode qui sert de détecteur.

Un grand nombre d'appareils, aux dénominations très variées, mesurent les différentes composantes du rayonnement solaire intéressant la météorologie : le pyranomètre mesure le rayonnement solaire global, provenant du Soleil et de la totalité de la voûte céleste ; le pyrhéliomètre, ou actinomètre, mesure le rayonnement solaire direct, provenant seulement du disque solaire. Différents principes ont été utilisés, revenant dans la plupart des cas à mesurer la température d'un récepteur traité de façon à se comporter comme un corps noir. Dans les appareils actuels, l'élément sensible est une thermopile constituée par un ensemble de thermocouples dont les soudures chaudes sont exposées au rayonnement solaire, les soudures froides étant maintenues à la température de l'air. La tension électrique délivrée est proportionnelle au rayonnement reçu.

Plus généralement, la mesure du rayonnement électromagnétique dans différentes gammes de fréquences est à la base de nombreux instruments modernes de télédétection en météorologie : radars météorologiques utilisés pour mesurer les précipitations, radiomètres embarqués sur les satellites météorologiques, réseaux de localisation des éclairs, etc.

Radar météorologique du Diamant, en Martinique ; ce radar est muni de la technique à effet Doppler. On voit ici, à l'intérieur du radôme de protection, une partie de l'aérien et le dispositif d'orientation en site et en azimut (Photo Météo-France)