气象观测仪器必须满足以下要求：①仪器需满足规定的时间响应速率(仪器时间常数)、测量范围、测量精确度和灵敏度。②仪器性能需长期保持稳定。仪器标尺或其关系曲线的年变率应低于允许的测量误差。③仪器在不同气候区和不同海拔高度都能保持性能良好。如在高温、严寒、雨雹、阴湿、干旱和风沙等天气条件下均能正常工作。④仪器的结构合理，单一响应性好：对所测要素响应灵敏，而对其他要素响应微小，并能从结构上加以补偿，以避免繁琐的订正。⑤价格便宜，使用(读数、维修)简便。
温度测量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(图1)。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°C)。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。气压测量仪器常用的有水银气压表和空盒气压表两种。水银气压表将一支一端封闭的玻璃管抽成真空，注满水银，再将开口一端插入水银槽中，以水银槽平面到管内水银柱顶的高度来测量大气压力。水银柱高度必须以温度为0°C、重力加速度为9.80665米/秒2的情况下所具有的高度为标准。当测量气压时，温度和重力加速度与上述情况不符，则必须对由此引起的偏差加以订正。1810年，法国J.福丁发明福丁式水银气压表，气压表的玻璃管外配有测量水银柱高度的铜管标尺(图2)。水银气压表测量精度较高，性能稳定，常作为标准气压表。
空盒气压表
由扁平的金属膜片空盒组构成，盒内的气压较低。利用弹性应力与大气压力相平衡的原理，以它形变的位移测定气压。其优点是便于携带和安装。但由于金属膜片的弹性系数随温度变化，须采取温度补偿措施;空盒形变存在弹性滞后，在一定的气压范围内，升压和降压的形变曲线不重合。上述两个因素使空盒气压表的测量精度低于水银气压表。空盒气压计应用空盒气压表的原理制成，它是一种能自动记录的气压表。
微压计
是一种较敏感的气压计(图3),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。
湿度测量仪器
常用的有干湿球温度表、毛发湿度表(计)、露点仪和电学湿度片。
干湿球温度表
干湿表最早由德国E.F.奥古斯特发明(1825)。由测定空气温度和湿度的一对并列装置的、形状完全相同的温度表组成。一支测量气温,称干球;另一支在球部包扎一层保持浸透蒸馏水的脱脂纱布，称湿球。由于水分在未饱和湿空气中蒸发时吸收感温元件的热量，湿球温度将低于干球温度。空气中的水汽压e可按下式计算：
e=ew-Ap(T-Tw)
其中T和Tw分别为干、湿球温度,ew为相应于湿球温度的饱和水汽压，P为大气压力。A为干湿表系数,它是湿球直径和通风速度的函数。因此给仪器以恒定的人工通风可提高测量精度。干湿球温度表不适于低温(在-10°C以下)测湿。
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：它们在低湿时，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。
风的测量仪器
风向测量仪器风向标(图4)是各种测风仪器中用以指示风向的最主要的部件，分为头部、水平杆和尾翼三部分。在风力的作用下，风向标绕铅直轴旋转，使风尾摆向下风方向，头部指向风的来向。风向标感应的风向必须传递到地面的指示仪表上，以电触点式最为简单，但一般只能作到每一个方位(22.5°)有一个触点。精确的方法有自整角机和光电码盘。
风速测量仪器
①风杯风速计。它是最常见的一种风速计。转杯式风速计最早由英国J.T.R.鲁宾孙发明(1846)，当时是四杯,后来改用三杯。三个互成120度固定在架上的抛物形或半球形的空杯都顺一面，整个架子连同风杯装在一个可以自由转动的轴上。在风力的作用下风杯绕轴旋转，其转速正比于风速。转速可以用电触点、测速发电机或光电计数器等记录。②螺旋桨式风速计。它是一组三叶或四叶螺旋桨绕水平轴旋转的风速计。螺旋桨装在一个风标的前部，使其旋转平面始终正对风的来向，它的转速正比于风速。③热线风速计。一根被电流加热的金属丝,流动的空气使它散热,利用散热速率和风速的平方根成线性关系,再通过电子线路线性化(以便于刻度和读数),即可制成热线风速计。热线风速计分旁热式和直热式两种。旁热式的热线一般为锰铜丝，其电阻温度系数近于零，它的表面另置有测温元件。直热式的热线多为铂丝，在测量风速的同时可以直接测定热线本身的温度。热线风速计在小风速时灵敏度较高，适用于对小风速测量。它的时间常数只有百分之几秒，是大气湍流和农业气象测量的重要工具。④声学风速表。在声波传播方向的风速分量将增加(或减低)声波传播速度，利用这种特性制作的声学风速表可用来测量风速分量。声学风速表至少有两对感应元件，每对包括发声器和接收器各一个。使两个发声器的声波传播方向相反，如果一组声波顺着风速分量传播，另一组恰好逆风传播，则两个接收器收到声脉冲的时间差值将与风速分量成正比。如果同时在水平和铅直方向各装上两对元件，就可以分别计算出水平风速、风向和铅直风速。由于超声波具有抗干扰、方向性好的优点，声学风速表发射的声波频率多在超声波段。
达因风向风速计
是一种测定瞬时风向风速并作连续记录的仪器,由英国W.H.达因所设计(1892),故名。其风向由风向标的装置测定，风速由以下装置测定：风速的感应部分有两个开口，感应风的动压力与大气静压力之和的开口称总压口，基本上只感应大气静压力的开口称静压口。总压口位于风向标风尾翼横杆的前端，由于风向标随风摆动，风尾始终处于下风方向，因而总压口就始终对着气流的来向;静压口是一组小孔，位于风标垂直轴的外层套管上。总压口和静压口分别通过导管和浮筒式微压计相连，浮筒内舱和总压管连通，浮筒外和静压管连通，这样，浮筒所受的压力差只与风的动压力有关(图5)。由于气流的动压力和风速的平方成正比，为保持浮筒在受风压作用后，浮升的高度和风速成正比，浮筒内壁的曲线形状必需经过专门的设计。
辐射测量仪器
辐射能的测量辐射主要有太阳直接辐射，大气散射，地面反射辐射，地面和大气的红外热辐射，以及净辐射(见辐射差额)。常用的测量仪器有：
①绝对日射表(计)。它是测量在太阳入射方向垂直平面上的太阳直接辐射强度的仪器，测量精度较高，且仪器常数可在实验室内测定。因此可用来确定其他类型仪器的仪器常数。根据世界气象组织的决议，从1981年1月1日起将美国的ACR310型和PACRADⅢ型，比利时的CROM型，以及瑞士的PMO2型四种绝对日射计，作为日射计标尺的标准。这几种类型日射计的工作原理相似，以美国的PACRADⅢ型绝对日射计(图6)为例：接受太阳辐射的主要部分是吸收系数十分接近于1.0000的探测黑体空腔的锥角部分，在探测腔体后面的补偿空腔，以人工加热法保持和探测空腔具有相同的温度，使探测腔体的热量完全不向后传递。测量空腔和热汇的温差就可以测得太阳辐射强度。这类仪器的测量精度较高，误差低于1%。②直接日射表。它是用来测量太阳直接辐射强度的仪器。该仪器的遮光套筒前的开口对感应面的视角为10度。接受太阳辐射的感应面是位于套筒底部的一块涂黑的锰铜薄片，它的背面紧贴热电堆的正极，负极则贴在遮光筒内壁。热电堆的电动势正比于太阳辐射。比例系数可与绝对日射计对比确定。
③天空辐射表。它是测定水平面上的太阳辐射、大气散射辐射和地面反射辐射的仪器(图7)。仪器的感应部分由黑片和白片相间组成3×3厘米2的方格阵。辐射强度正比于黑白片下热电堆的电动势。感应面上有一个半球形防风保护玻璃罩。仪器前上方可伸出一块对感应平面视角为10度的遮光板。支起遮光板遮去阳光，仪器只能测到天空散射辐射;除去遮光板则能测到水平面上太阳辐射和散射辐射的总和。反转仪器，使感应平面向下，则能测到地面对太阳辐射和散射辐射的反射辐射。④净辐射仪。它是用来测量地表面吸收和支出辐射之差的仪器，使用最普遍的是聚乙烯防风薄膜式净辐射仪(图8)。仪器有上、下两片感应黑片,向上的吸收地面辐射收入项,向下的吸收地表面辐射支出项。两块感应面由绝热材料隔开，由热电堆测量它们的温差，净辐射强度正比于温差电动势。
测定日照时数仪器①暗筒式日照计。仪器上有一小孔,阳光透过小孔射入筒内,在涂有感光药剂的日照纸上留下感光痕迹，利用痕迹线可计算出日照的时数。②聚焦式日照计。它是利用太阳光经玻璃球聚焦后烧灼日照纸留下的焦痕来记录日照时数的仪器。暗筒式日照计制造较简单，记录误差小，是台站常用的仪器。
降水量测量仪器
主要有雨量器和雨量计两类。
雨量器测量在某一段时间内的液体和固体降水总量的仪器。一般为直径20厘米的圆筒，为保持筒口的形状和面积,筒质必须坚硬。为防止雨水溅入,筒口呈内直外斜的刀刃形。雨量器有带漏斗和不带漏斗的两种。筒内置有储水瓶。降雪季节取出储水瓶，换上不带漏斗的筒口，雪花可直接储入雨量筒底。
雨量计可连续测量和记录液体降水量的自记仪器。常用的有虹吸式和翻斗式两种。
①虹吸式雨量计(图9)。当雨水经漏斗进入测量筒后,筒内的浮子随水位升高,当筒内贮满10(或20)毫米雨量时，在短时间内发生一次虹吸，将筒内的存水一次排出，使浮子重新从零位开始记录。浮筒上所带自记笔尖可在钟筒上画出降雨量随时间累积的过程。②翻斗式雨量计。其测量器是两个三角形的翻斗，每次只有其中的一个翻斗正对漏斗口。当翻斗盛满0.2毫米降水时，由于重心外移而翻倒，将盛水倒出，同时使第二个翻斗移到漏斗口下，由翻斗交替次数和时间的记录可得降水资料。翻斗式雨量计可用于自动气象站。
能见度测量仪器
20世纪60年代前，气象台站常用目测方法，即由人眼观测目标物能从背景中分辨出来的最远距离，测定大气能见度。70年代以来常采用能见度仪进行测量，主要仪器有两种类型：
①透射型
包括一个光发射源，以及几个接收器。把接收器安装在不同的距离处，以接收到的光源亮度与发射源参考亮度的比值的变化来计算大气透明度和能见度。也可将光发射源和一个接收器装在一起，而在不同距离上安装反射靶。接收器分别测量来自不同反射靶的光源亮度，由此求得大气能见度。
②散射型
认为大气消光主要是由气体分子、微滴和微粒等的散射作用造成的，因此可以通过测量相对于光发射器光轴的不同方向上的散射光强来计算能见度。根据光发射器光轴同接收器光轴的角度关系，又可分做后向散射仪、前向散射仪和总散射仪几种。