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Una capanna meteorologica è collocata al centro di una grande terrazza rivolta a Nord – un tempo giardino pensile - nella parte alta dell’edificio, a circa 25 metri di altezza sul livello stradale e 75 metri sul livello del mare.
Nelle sale attigue alla terrazza sono collocati altri strumenti indispensabili per una completa rilevazione dei dati meteorologici.

Fin dal 1813 è stata raccolta e diffusa dall’Osservatorio una serie ininterrotta di dati meteorologici e fino a pochi anni fa il tempo a Firenze aveva in questa istituzione il suo cardine, da qui i bollettini meteo partivano per le altre città e istituti, e quotidianamente venivano forniti alla stampa locale.
Le odierne facilitazioni tecnologiche hanno favorito la raccolta e diffusione delle osservazioni meteorologiche. Mensilmente viene redatto un Bollettino Meteorologico esposto in bacheca al numero 6 di Piazza San Lorenzo. 
È diventata ormai frequente la richiesta a questo Istituto, da parte di molti utenti, di dati riferenti a situazioni meteorologiche generali e particolari, per necessità di vario tipo.

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Stazione meteo dell’Osservatorio Ximeniano

Stazione meteo campione con i sensori per la misura dei flussi di metano e di CO2

A Firenze e proprio all’Osservatorio Ximeniano muove i primi passi la Meteorologia moderna.

Padre Filippo Cecchi nel 1860 fece apporre su una parete della Loggia dei Lanzi un grande barometro il cui quadrante era un disco marmoreo ­- o “mostra di marmo” come la definiva il Cecchi - del diametro di metri 1,64, con un indice mobile ben visibile dalla popolazione, un sistema antesignano delle previsioni meteo televisive.

La scienza meteorologica in pieno sviluppo portò alla nascita della Società Meteorologica Italiana fondata da P. Denza a Torino nel 1881 che convocò il suo primo congresso proprio a Firenze nel 1885.

Tra gli apparecchi della Sezione Meteorologica segnaliamo: capannina meteo SIAP S 1690, termometro campione, termometri a massima e minima, barometro Fortin, barometrografo Agolini, psicrometro di August, pluviografi ad altalena, pluviografo giornaliero stazione 446 del Servizio Idrografico del Genio Civile, anemografo a 8 direzioni, anemografo universale, e inoltre eliofanografo, piranografo, termoigrografo.
Inoltre esistono vari strumenti antichi tra cui il Nefoscopio Cecchi, l’Aerobarografo Cecchi, un pirielometro, un attinometro, un pluviografo Palazzo e altri importanti cimeli storici.

La sezione meteorologica è stata via via ampliata e rinnovata, con moderni apparecchi e sistemi automatizzati di registrazione.

E’ in atto da qualche anno una collaborazione con il centro di studio IBIMET- CNR (Istituto Biometeorologia). L’attività di ricerca principale riguarda lo studio dei fenomeni meteorologici e la climatologia urbana attraverso nuovi sensori, in parte progettati e testati dal suo personale e lo studio della radiazione ultravioletta.