一般地面氣象站的觀測手段采用兩種：一是目測，靠人的眼睛來觀測某些氣象要素，如天空的云狀、云量、能見度及天氣現象等。另一種是器測，用儀器對大氣中的溫度、濕度、氣壓、風力等進行測量。在不適合人類活動的高山、海島、荒原等，還安有自動氣象站。
地面氣象站所觀測的內容和方法，都是參照聯合國世界氣象組織和中國氣象局制訂的觀測規范進行的，每日4次，在世界時00、06、12、18時進行觀測。有的氣象站每天進行8次觀測，還有的甚至1小時一次。要求儀器的性能、規格、計量單位都要符合國際標準，以保證資料的準確性、代表性和可比較性。
氣溫、濕度、氣壓和風是氣象站的主要觀測項目。這些氣象要素是代表大氣特征的基本物理量，它們反映了大氣的熱力狀況和動力狀況。氣溫是觀測空氣冷暖程度的物理量，是用安放在白色百葉箱的水銀或酒精玻璃溫度表測量，計量單位是攝氏度。
濕度是表示空氣潮濕程度的物理量。一般是百葉箱中的干濕溫度表或毛發濕度計來測量，常換算為相對濕度，水汽壓或露點溫度來表示。
氣壓是表示大氣壓力的物理量。用水銀氣壓表來測定，計量單位用百帕來表示。
風是反映空氣運動狀況的物理量。它是用安裝在10米高風向桿上的電接風向、風速儀測量。風的單位是米／秒。風向用8個或16個方位來表示。
除了以上的觀測項目外，地面氣象站還要進行雨量、蒸發、日照、地溫、積雪、凍土等項目的觀測。有的氣象站還要開展太陽輻射的觀測。
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