提到“地面气象观测”，人们一般会想到四四方方的气象观测场，洁白的百叶箱、温度计、风向标等，并把这些理解为地面的观测。不过这样理解并不全面，因为天上的云、大气中的声、光、电等天气现象，也都属于地面气象观测的范围。所以地面气象观测的定义应为：利用气象仪器和目力，对靠近地面的大气层的气象要素值，以及对自由大气中的一些现象进行观测。地面气象观测的内容很多，包括气温、气压、空气湿度、风向风速、云、能见度、天气现象、降水、蒸发、日照、雪深、地温、冻土、电线结冻等。地面气象观测的许多项目都是通过固定在观测场内的各种仪器进行的，所以气象站的站址和观测场地的选择以及维护，仪器的安装是否正确，都对资料的代表性、准确性和比较性有极大的影响。一般说来，气象台站的地址应选在能代表其周围大部分地区天气、气候特点的地方，并且尽量避免小范围和局部环境的影响，同时应当选在当地最多风向的上风方，不要选在山谷、洼地、陡坡、绝壁上。观测场要求四周平坦空旷并能代表周围的地形，观测场附近不应有任何物体。孤立、不高的个别障碍物离观测场的距离，至少要在障碍物高度的三倍以上；宽大、密集、成片的障碍物，距离要在障碍物高度的十倍以上。观测场周围十米范围内不能种植高杆作物，以保证气流畅通。气象台站的房屋一般应建在观测场的北面。另外，一个气象台站建成之后，要长期稳定，不要轻易搬家，因为轻易搬家不仅会影响观测资料的连续性，影响使用，还会造成很大浪费。微压计、是一种较敏感的气压计，它能觉察出比0.05百帕还小得多的气压变化。自记钟的走纸速度约1～2小时转一周。微压计的空盒开口，盒内空气始终与外界大气相通。整个空盒组装在一个可密封的金属圆筒内，观测的起始时刻，打开金属圆筒的截门，使空盒内外的微压计气压相等，气压计指零（或满刻度），然后关上截门，此后，仪器的指示值表示为各时刻的气压同初始值之差。它是一种研究短时间气压细微变化的仪器。
常用的有玻璃温度表、双金属片温度计、金属电阻温度表和热敏电阻温度表等。玻璃温度表、利用测温液体在玻璃毛细管中热胀冷缩的特性制成，常用的液体有水银和酒精两种。通常使用的有：干湿球温度表、最高温度表最低温度表和1887年德国R.阿斯曼创制的阿斯曼干湿表双金属片温度计、最高温度表的结构与体温表类似，在接近球部处设有一玻璃针，使毛细管变狭。当温度上升时，球部水银膨胀，挤过狭管而上升；温度下降时、狭管处的摩擦力阻止水银柱下降，因此可测得最高温度。最低温度表，一般用酒精作测温液，在毛细管内设一游标，温度下降时液面的表面张力带动游标下降，而温度上升时，管壁的摩擦力使游标停而不动，因而可测得最低温度。双金属片温度计、是自动连续记录气温变化的仪器。感应元件由膨胀系数相差较大而弹性模量相近的两块金属片（常用的有殷钢和无磁钢）焊接而成。这种双金属片随温度的变形率接近线性，所以可用来测温。自记系统由同感应元件相联的自记笔和旋转的自记钟构成。金属电阻温度表、利用金属电阻随温度变化的原则制成的温度表。常用的金属丝有铂、镍和铜三种，阻值在几十欧到一百欧之间。其中铂电阻丝的稳定性最好，可用它制作标准温度表。电阻温度表可以用于遥测。热敏电阻温度表、其感应元件由几种金属氧化物混合焙烧而成。可为棒状、球状或片状。其阻值可达几十千欧，电阻的温度系数大，仪器的灵敏度高于金属电阻温度表，被广泛应用于遥测。热敏电阻的外表必须绝缘，防止在高湿时漏电。温差电偶温度表、利用温差电现象制成。温差电现象是指在两种不同导体所组成的封闭回路中，若导线连接、温差电偶温度表、处的温度不同就会产生电流的一种现象。温差电偶温度表由于构造简单，分度便利，常用于梯度观测及空气、土壤和水温的测定。目前在日射仪器及小气候观测中也被广泛应用。石英晶体温度表、选择石英晶体某种切片平面的方向，使石英晶体薄片具有振荡频率和温度成线性关系的特性，用这种切型的石英晶体作为测温元件制成的温度表。它的优点是：可以直接数字输出，有较高的分辨率（可达10-3℃）。 测量大气温度时，感应元件需遮蔽，以防止各种形式辐射的影响，如百叶箱和阿斯曼干湿表外管等。同时，防辐射设备必须保持良好的通风，尽量减小对自然状况的干扰。
毛发湿度表、脱脂的人发、牛的肠衣等一类物质在潮湿时伸长，干燥时缩短，利用它们的这种特性可以作成湿度表和湿度自记仪。缺点是：它们毛发湿度表、低湿时，时间常数太大，元件的稳定性也较差。露点仪、直接测定空气露点温度(见露)的仪器。在一根铜棒的顶端放置一个薄的小铜镜，铜镜背露点仪、面有测量镜面温度的元件。铜棒同时受冷、热源的控制，使镜面温度在露点附近变动，当镜面上可观察到露滴或冰晶时隐时现时，这时测温元件所指示的温度的平均值即为露点（零下结冰时为霜点）温度。露点仪的原理简单，但须要光洁度很高的镜面，精度很高的控温系统，以及灵敏度很高的露滴（或冰晶）的光学探测系统。使用时必须使吸入样本空气的管道保持清洁，否则管道内的杂质将吸收或放出水分，造成测量误差。电阻式湿度片、利用吸湿膜片随湿度变化而改变其导电性能的原理制成。常用的有氯化锂湿度片。氯化锂是一种离子盐，本身的性质稳定，其溶液的饱和水汽压低于同温度水的饱和水汽压。当空气的水汽压高于氯化锂的饱和水汽压时，它将吸收水分增加自身的电导率；反之，则放出水分降低电导率。测定氯化锂的电阻值可确定相对湿度。其缺陷是温度系数大，使用寿命有限薄膜测湿电容以高分子聚合物为介质的电容元件。利用聚合物吸收空气中的水汽而改变元件电容量的特性制成的薄膜测湿电容，制作工艺精巧，性能优良，已在无线电探空仪和一些自动气象站上用作测湿元件。
