由于存在着大气一般环流和地方性环流，在大气中的任何一点，风总是随时在改变着方向和速度；在地球上的不同地区，这种风的变化也是不相同的，例如，在信风带中，风是很稳定的；在中纬度地带，特别是在欧洲恰恰相反，风是变化无常的。风在靠近地平面的上空，由于乱流条件在一日内有变化，风也就有日变化。风还随着高度而变化，这在某种程度上是由于摩擦力的减小（在离地面几百米以内），而主要是由于气压梯度。
风向是指风吹来的方向，所以风向标箭头指的方向就是当时的风向。风向分为16个方位，它们分别为北、北北东、东北、东东北、东、东东南、东南、南南东、南、南南西、西南、西西南、西、西西北、西北以及北北西。风的观测风向的变化常常很快，因而气象上观测风向有瞬间风和平均风向之分。通常所说的风向不是瞬间的风向，而观测约一分钟（或两分钟）的平均风向。空中风向是施放测风气球、雷达（探）测其方位角和仰角，然后经过计算得出来的。离地面10米上空的风向，通常用电动式测风器测得。
风速是每秒钟气流走过的距离。在靠近地面平面的上空，风速由于受地物的影响与空中有很大的不同，所以地面观测以宽广而平坦的地面，离地10米的观测值作为标准值。其风速值通常用电动式测风器或齿轮、电感式测风器测得。由于风速随离开地面的高度升高而增大，因此风速仪器统一规定安装在离地面10～12米的高度上。
现在我国的测风仪器主要是国产的电接风向风速仪，是风杯式的。由于风速总有阵性，读瞬时风速代表性不大，因此观测风速规定取2分钟的平均。只要风速仪的指针一旦达到17米/秒，气象员就必须记载这一天为大风日，而不管它持续多长时间。大风日数是一种很重要的天气日数。如果观测时没有风，则称为静稳，用符号C表示，写在观测簿内。对风的观测还要进行年、月的统计。
（四）降水观测
气象部门把从天上云里降下来的雨水（液体）和雪、冰雹（固体）都称为降水。降水的多少叫降水量。降水量的单位是毫米雨量计（水深）。它是按从天空降下的雨或雪、雹等融化后未经蒸发、渗透、流失而积聚在地面上的深浅来计算的。如果是雪等固体降水，一定要先把它们融化成水后再量降水量（事先加定量温水，再从总水量中扣除）。气象站主要用雨量筒来测定降水量。
雨量筒是一个直径20厘米的金属圆筒。筒高58厘米，分为上下两节，下节高35厘米，里面装有一个储水瓶。把储水瓶中的水倒进特制的量杯，就可以知道今日的降雨量（水深）。我国许多气象部门还都配有能自记雨量的自记雨量器，可以测量各个时段中降水的强度。
雨量计雨量大小还可根据降水状况来判断。降雨状况一般分四个等级，即小雨、中雨、大雨、暴雨。
小雨：雨滴下降清晰可辨，地面全湿，洼地积水慢，屋上雨声微弱。
降水观测中雨：雨滴下降连续成线，雨滴四溅，洼地积水较快，屋上沙沙雨声。
大雨：雨滴下降模糊成片，落地四溅较高，洼地积水很快，雨声哗哗作响。
暴雨：雨猛如倾盆，雨声震耳，积水特快，江河涨水。
我国气象部门规定，不论下雨时间的长短，例如“零星小雨”，指有的地方下，有的地方不下；“间断小雨”，指断断续续的下；“阵雨”，指时下时停，时大时小。凡日雨量大于或等于0.1毫米就算一个降水日。日雨量小于10毫米的日子称为小雨（日），中雨（日）为10～25毫米，大雨（日）为25～50毫米，日雨量50毫米以上就是暴雨（日）了。
（五）气压观测
众所周知，大气压力的单位是毫巴，毫巴的数值越大，表示气压也越大，气压是大气压强的简称，表示地球大气层对地面单位面积上的压力，单位是百帕，气象学中一般取1013.3百帕作为标准大气压力。从空气分子运动观点出发，它是空气的分子运动与地球重力场两者综合作用的结果。在这综合的作用下，许多空气分子在每瞬时平均对单位面积的平面所施的撞击力就表现为气压。空气分子密度大的地方，也是空气分子平均动能大的地方，因此撞击力就大，故气压也大气象学中一般取1013.3百帕作为标准大气压力，也就是76厘米高的水银柱的压力。因离地越高，气压越低，故可根据气压在垂直方向上的变化来测算高度。在水平方向上，气压的差异常能引起空气的流动，所以气压是分析天气预报的重要气象要素之一。
在物理学上，大气压力的单位常用水银柱高度表示，而在气象上却用毫巴来表示。这是因为，大气不仅有一定重量，而且在空气分子运动时，如果碰着器壁，还产生一种弹力。当大气以它的重量自上而下作用时，大气柱下部的空气团就产生弹性力，而这种弹力又必然与整个大气柱重量相平衡。因此，大气压力，不仅是代表单位面积上大气柱的重量（即单位面积上的压力强度），还代表空气团的弹力强度。
目前我国气象站上一般都用水银气压表测定大气压力。也就是应用托里拆里实验的原理。当外界气压升高时，大气压力会自动把水银槽中的水银压进管腔中使水银柱长高。反之，气压下降时，水银柱会自动降低，水银自动流回槽里。不过，在实际业务观测中，水银柱高度的读数还要进行三项订正，也就是气温订正（订正到0°C），海拔高度订正（订正到海平面上）和纬度订正（订正到45°纬度上）。因为只有这样，世界各地的气压值才能进行比较。气压的三项订正都有表可查，十分简单方便。
（六）日照观测
太阳照射时间的长短称为日照时数，简称日照。单位为小时，它又分为可照时数和实照时数两种。从日出到日没的时间叫可照时数；在这段时间内实际有太阳照射的时间叫实照时数。可照时数和实照时数的百分比叫日照百分率。日照计日照百分率可以衡量一个地区在某一时期的日照条件。如果日照百分率很小，说明在那个时期会经常出现阴雨天气，实照时数短，因此日照不足，农作物生长缓慢，容易受到病虫害的袭击。像水稻在结穗期间，如果其他条件都能满足结实壮籽的要求，则日照越长，产量就越高。
观测日照时间长短的仪器叫日照计。我国大多数气象台站用的是暗筒式日照计。它的主体是一个圆筒，筒上两侧各有一小孔，让阳光照到筒内涂有感光剂的感光纸上。除正午一、二分钟内两孔可同时进光外，其余时间都是一孔进日光，东侧孔射进上午阳光，西侧孔射进下午阳光。因此感光纸上每天有两道感光迹线，迹线的长度就是日照时间。上下午日照时间加起来就是全天的日照时间。
日照计一般安装在观测场南面，离地1.2米高的木架上。也可安装在观测方便的平台或屋顶上。安装时要使仪器的底座水平，筒口一端对准正北方，使正午时的日光恰恰同时射入日照仪两边的小孔，并须调整指针使其所示刻度与当地的纬度相符。
日照纸上纵线为时间线，每格一小时。它是用柠檬酸铁氨和赤血盐按比例配制成的感光液，均匀涂在纸上，阴干后再放入日照计暗筒内，并用压纸铜条将纸压好，盖上筒盖。每天傍晚日落后换日照纸。根据日照纸上感光迹线的长度，可以算出日照时数。
（七）霜冻观测
霜冻是指作物表面上以及近地面空气层的温度迅速下降到作物生长的临界温度或以下时足以引起作物枯萎或死亡的现象，一般多出现在秋末和春初季节。从全国观测资料分析可看到各地都有可能出现霜冻。
秋末春初期间，夜间晴空无云、静风时，由于辐射冷却、气温下降到0°C以下时就会出现霜冻。每当出现霜冻的时候，植物体表面温度都在零度以下，植物体内的每个细胞之间的水分就被冻结成微小冰晶体。这些冰晶在植物内部又要凝华细胞的水分，冰晶又逐渐长大。由于冰晶体的相互作用，细胞内部的水分向外渗透，使植物的原生质胶体物质凝固。这样的霜冻过程在几个小时内形成，最终造成了农作物因细胞脱水而枯萎死亡。
由于各种农作物的抗寒能力不同，霜冻时不一定就有霜出现。通常说的霜害，实际上是包括了霜冻之害和有霜之害。每年秋季以后第一次出现的霜冻叫初霜冻；到第二年春季最后一次出现的霜冻就叫终霜冻。秋季出现的霜冻也叫早霜或秋霜；春季出现的霜冻也叫晚霜或春霜。早霜出现的时期，一般天气还比较暖和，正在吐絮的棉花，成长期中的甘薯、花生和晚熟的蔬菜等易受冻害而减产或质量变坏，甚至不能成熟。晚霜出现时，越冬作物正开始迅速生长；大多数春播作物还在幼苗期，经不起霜冻危害，能造成冻害或死亡。
预防霜冻造成农业灾害的措施有各种各样的方法。例如：“硝蒽”烟雾剂能防霜冻。在作业区内设置“测硝蒽”防霜剂发烟点，与此同时布置10个气象观测点进行温度、湿度、风、地表温度等测量。每当预报夜间、晴空、静风，可能出现霜冻时，即进行熏烟作业，使烟雾覆盖作业区。这种烟雾阻止了地面向天空长波辐射降温的作用，所以作物周围的环境温度都高于未有烟雾的对比地区，这样就可以使作业区不会出现霜冻，农作物能够正常生长。另外，还有杀灭冰核细菌的防霜冻、覆盖法、喷水法、扰动法、加热法等等。利用这些方法能有效地预防和减少霜冻灾害。
（八）高空观测
高空观测是指在自由大气中直接或间接进行的气象观测。高空观测仪器很多，有飞机、火箭，以及卫星遥感和地面遥感探测等。但是在气象日常业务使用的还是无线电探空仪。主要用它来观测高空中各层次的风向风速和气温、气压和湿度。高空观测对天气预报十分重要，因为人们虽然生活在地面，可是影响地面天气的气压系统都是在高空生成、发展和移动的。比如说，地面上下雨了，但实际上雨是从空中下下来的，而且对流层中下部哪个高度上都可能发生降雨。引外，低层天气系统的移动主要还要受高层气流的影响和引导。因此可以说，没有高空探测，便不可能有现代天气预报。还有，高射炮、火箭、导弹、航天飞机和人造卫星的发射也都受到高空气象条件的影响。
最初的近代高空气象探测主要是利用载人吊篮和系留气球携带自记仪器的方法。但是这两种办法都不适宜作业务观测，因为时间上来不及，于是人们设法让气球携带发报机，把观测到的气象记录化为电波讯号，即时发送到地面上来。这种试验最早开始在1918年，但并没有成功。1923年美国陆军气象学家布赖尔继续试验时，地面得到了历时20分钟的讯号，这是无线电探空第一次获得成功。1927年德国气象学家爱德拉格和布利欧首次把波长42米的电子管发报机系在上升气球下面进行试验，收到了发报机发自平流层的讯号。
最早可以用作业务的苏式无线电探空仪是前苏联莫尔恰诺夫教授研制的。1932年芬兰人维萨拉也发明了著名的芬式无线电探空仪。这类探空仪是现今探测30～40公里以下高度高空气象条件的主要仪器，全世界都在使用。
（九）空气湿度观测
空气湿度即是空气的干湿程度。根据不同需要，通常分别以绝对湿度、水汽压、相对湿度和露点温度表示。它的大小和增减，会直接或间接地引起云、雾、降水等现象的生消演变。
气象部门测定的空气湿度有好几种，包括相对湿度、绝对湿度、水汽压和露点等。相对湿度是其中最常用的。相对湿度的单位是百分数（％），空气中没有水汽时相对湿度为零，空气中容纳水汽已达到最大限度时（称为空气已经饱和），相对湿度就是100%。
测量空气湿度通常用干湿球温度表。它是两支同样的温度表，干球温度表用来测量气温；湿球温度表的水银球用湿润纱布包裹着，纱布下端浸在水盂里。使湿球纱布始终保持湿润状态（因而称为湿球温度表）。湿球纱布上的水在空气没有达到饱和时会不断蒸发。蒸发的快慢决定于空气相对湿度：湿度大时蒸发慢，湿度小时蒸发快。湿度是100%时，空气中所含水汽已饱和，水分停止蒸发。水分蒸发是要消耗热量的，这样湿球温度表的读数就会减小。因此，除了空气饱和，即相对湿度为100%（此时湿球温度表的读数和干球温度表一样）以外，干球温度表的读数总比湿球温度表的读数要高。两者差值越大表示空气越干燥，相对湿度越低。因此利用干湿球温度差使可以知道空气相对湿度的高低。利用气象部门已出版的对照表册，可以很方便地查用所需数据。
（十）高空风向风速测量
气象气球是最早用来探测高空的风向和风速的工具。气球在天上随风飘移，测定前后两个点的位置就可以知道这两个点（高度）之间气层的平均风向和风速。因为只要两个点的位置确定，根据两点之间的距离在水平面上的投影，除以气球经过两个点之间（即两次观测之间）的时间，便就是平均风速了。在气象学里风速的定义就是气流在水平面上的移动速度。同样，从第二点到第一点之间的方向就是这层高空气流的平均方向，因为风向和气球移动的方向是正好相反的。