对近地气层中某些高度上，同一时间的主要气象要素（气温、湿度、风速）的梯度分布和变化所作的观测，是气象观测工作中的特殊项目。在特定要求下，梯度观测根据需要可在几十米到几百米高的测杆或气象塔上进行，或在接近下垫面的贴地层（0～2米）中进行。也可用系留气球或低空探空仪作整个行星边界层的梯度观测。红外探测器、声雷达和激光雷达也能用来对低层大气作梯度分布的遥感探测。梯度观测中高度的选定与观测目的有关。由于越贴近地面，乱流交换越弱，因此气象要素的垂直梯度一般也是愈近地面愈大，故观测高度的选定通常离地愈近，分布愈密，多数按对数规律分布。在农业气象工作中，由于作物一般生长在土壤和贴近地面2米以下的气层中。故农业气象梯度观测多在贴近地面2米以内进行，森林气象梯度观测可达十几至几十米，但观测项目和时间也因观测目的而异。例如，研究霜冻对小麦的危害，着重观测霜冻前后的降温变化及最低温度在近地层的分布，而研究作物的密植程度，则主要观测植株不同部位的温度、湿度、光照及风速等。梯度观测中测定气温、湿度的仪器一般用通风干湿表或用热敏电阻作为感应器（为了实现遥测，一般使用电通风装置）；测风仪器一般用轻便风向风速表或热线微风仪等。对从地面到离地面几百米的气层的气象要素进行梯度观测，是研究大气边界层状况的必要手段。气象塔上的观测项目，除连续测量气象要素外，还要测定大气湍流的特性。塔上支架上安装的仪器一般包括瞬时风向风速仪、温差仪、湿度仪、超声风速仪等，并进行多层次的梯度观测。各类传感器所观测到的信息经电缆传输到地面数据自动处理系统。以廓线（即要素随时间、空间的变化趋势）的形式进行记录或通过电子计算机直接打印输出。