Do obowiązków obserwatora należy wykonywanie pomiarów instrumentalnych (np. temperatury powietrza, opadów atmosferycznych) oraz spostrzeżeń wzrokowych (np. widzialności poziomej, zachmurzenia), które łącznic nazwane są obserwacjami. Zapisy wyników obserwacji, zestawienia liczbowe i zapisy z rejestratorów stanowią materiał obserwacyjny. Wyniki obserwacji zapisywane są codziennie w odpowiednich dziennikach, a następnie sporządza się na ich podstawie zestawienia miesięczne (np. miesięczny wykaz spostrzeżeń meteorologicznych).
Podczas obserwacji na stacjach i posterunkach meteorologicznych mierzy się wartości tzw. elementów meteorologicznych, czyli: temperatury, opadów atmosferycznych, ciśnienia atmosferycznego, prędkości i kierunku wiatru itd. Na tej podstawie oceniamy pogodę, zaś pomiary i obserwacje z dłuższych okresów (co najmniej z 30 lat) pozwalają ocenić warunki klimatyczne.
Pogoda jest kształtowana przez trzy procesy klimatotwórcze:
• obieg ciepła (energii) - przez atmosferę przenika krótkofalowe promieniowanie słoneczne, które jest częściowo w niej pochłaniane, rozpraszane i odbite. Pozostałe promienie padając na powierzchnię Ziemi w większej części są przez nią pochłaniane i ją ogrzewają. Powierzchnia Ziemi jest z kolei źródłem promieniowania podczerwonego, które w większej części jest pochłaniane przez atmosferę. Poza wymianą ciepła na drodze promieniowania (pomiędzy powierzchnią Ziemi a atmosferą), wymiana ta odbywa się również przez: przewodnictwo cieplne, mieszanie się powietrza w kierunku pionowym (konwekcja i turbulencja) oraz przemiany fazowe wody (utajone ciepło parowania);
• obieg wody (wilgoci) - pomiędzy atmosferą i powierzchnią Ziemi odbywa się również nieustanny obieg wody. Z powierzchni wody, wilgotnej gleby i roślinności do atmosfery paruje woda, na co zużywane są znaczne ilości ciepła. Para wodna kondensu-jąc oddaje energię pobraną podczas parowania i powstają chmury oraz mgły. W pewnych warunkach chmury dają opady i woda powraca na powierzchnię Ziemi. Ilość opadów i ich rozkład według pór roku wywiera wpływ m.in. na szatę roślinną i rolnictwo;
• cyrkulacja atmosferyczna - nierównomierny rozkład ciepła w atmosferze (wynikający z kulistości Ziemi) jest przyczyną zróżnicowanego rozkładu ciśnienia atmosferycznego. co powoduje powstawanie ruchów powietrza (ogólna cyrkulacja atmosfery). Na modyfikację ruchów powietrza wpływa: ruch obrotowy Ziemi, rozmieszczenie wód i lądów' oraz ruchy wirowe w atmosferze (wyże i niże). Można również wyróżnić lokalne cyrkulacje powietrza (np. bryzy, wiatry górskie i dolinne, tornada).
Na procesy klimatotwórcze wpływają tzw. czynniki geograficzne klimatu, które kształtują klimat i warunki pogodowe w określonych miejscach Ziemi:
• szerokość geograficzna - z jej zmianą wiąże się głównie różnica w natężeniu promieniowania słonecznego padającego na powierzchnię Ziemi: obszar międzyzwrotnikowy -duże wartości, obszary podbiegunowe - małe. Związane jest to ze zmianą kąta padania
promieni słonecznych oraz długości dnia wraz z szerokością geograficzną; wysokość nad poziomem morza i rzeźba terenu - ze wzrostem wysokości maleje ciśnienie atmosferyczne, spada temperatura powietrza, rośnie natężenie promieniowania, prędkość wiatru, a do pewnej wysokości rosną sumy opadów. W górach na zboczach dowietrznych wzrasta zachmurzenie oraz sumy opadów, z kolei na zboczach o orientacji północnej wydłuża się czas zalegania pokrywy śnieżnej. Natomiast wklęsłe formy terenu (doliny, niecki, kotliny) charakteryzują się częstszym występowaniem mgieł oraz przymrozków wiosennych i jesiennych;
odległość od morza oraz rozkład wód i lądów - różnicuje klimat na: morski (z mniejszymi wahaniami temperatury powietrza i większym zachmurzeniem) i kontynentalny (ze znacznymi dobowymi i rocznymi amplitudami temperatury w głębi lądu). W sąsiedztwie wód i lądów, na skutek różnicy w tempie nagrzewania się lub ochładzania powierzchni lądowej i wodnej, może kształtować się lokalna cyrkulacja atmosferyczna (bryza);
prądy morskie - powodują różnice w warunkach termicznych powierzchni morza i przez to wywierają wpływ na rozkład temperatury powietrza oraz cyrkulację atmosferyczną. Przykładem może być wyraźnie ocieplający wpływ Prądu Zatokowego (Golfsztromu) na klimat wschodniej części północnego Atlantyku i Europy Zachodniej. Natomiast nad obszarami chłodnych prądów morskich zwiększa się częstość mgieł i hamowane są pionowe prądy powietrza, pr/.cz co zmniejsza się tam zachmurzenie;
pokrycie terenu - szata roślinna łagodzi dobowe i roczne wahania temperatury przy gruncie i w łanach roślin, a w lasach wytwarza się specyficzny klimat lokalny. Z kolei pokrywa śnieżna chroni podłoże przed utratą ciepła, ponadto silnie odbija promieniowanie słoneczne w dzień, a oziębiając się w nocy ochładza znajdujące się nad nią powietrze. Charakterystyczne rodzaje podłoża w miastach, które w dużym stopniu pochłaniają energię słoneczną (drogi asfaltowe, domy z betonu i cegły) sprzyjają występowaniu wyższych wartości temperatury powietrza (tzw. miejska wyspa ciepła); działalność człowieka - oddziaływanie człowieka na klimat to przede wszystkim działalność gospodarcza, wylesianie oraz niewłaściwie przeprowadzone melioracje. Na przełomie XVIII i XIX w. rozpoczęły się procesy związane z uprzemysłowieniem (emisja gazów cieplarnianych, zanieczyszczeń pyłowych oraz wprowadzanie do atmosfery m.in. freonów, czyli nie istniejących wcześniej związków chemicznych). Najwyraźniejsza zmiana warunków klimatycznych występuje na obszarach zurbanizowanych: wzrost temperatur}', osłabienie promieniowania, zanieczyszczenie powietrza. Nic można zapomnieć o tym, że zmiany pokrycia powierzchni Ziemi mają skutki długofalowe i trudno odwracalne - wyrąb lasów może powodować niebezpieczne zjawiska (np. susze, powodzie, częstsze występowanie silnych burz).