气温随高度的变化非常明显，但并非单一的降低或增高。按其垂直分布的具体特征，通常将大气分成对流层、平流层、中层、热层等4层。

1.对流层

对流层 是地球大气的最底层，其下边界为地面或海面。地界（高度）随纬度、季节等因素而变，在低纬地区平均为17～18km，中纬地区平均为10～12km，极地平均为8～9km。就季节变化而言，夏季对流层高度大于冬季。对流层的名称首先由法国的德·波尔特于1908年提出，其意思是说这里是空气对流的地方，空气得以充分混合。

概括起来，对流层有以下4个主要特点。

（1）气温随高度的增加而降低，其降低的数值随地区、时间和所在高度等因素而变。平均而言，每上升100m约降低0.65℃，这个气温降低速率称为（环境） 气温递减率 ，通常以 γ 表示，平均值 γ =0.65℃·（100m） ^-1 。当然，有时在某地区会出现气温不随高度而变，甚至随高度增加而升高（称为 逆温 ）的情况。对流层顶的温度在低纬地区平均约为190K，高纬地区约为220 K。

（2）大气密度和水汽随高度的增加而迅速递减，对流层几乎集中了整个大气质量的3/4和水汽的90%。

（3）有强烈的垂直运动。包括有规则的垂直对流运动和无规则的湍流运动，它们使空气中的动量、水汽、热量以及气溶胶等得以混合与交换。

（4）气象要素的水平分布不均匀。由于对流层空气受地表的影响最大，因此，海陆分布、地形起伏等差异使对流层中的温度、湿度等气象要素的水平分布不均匀。

以上4个特点为云和降水的形成以及天气系统的发生、发展提供了有利条件，因此，大气中所有重要的天气现象和过程几乎都发生在这一层。因此，对流层成为大气科学的主要研究对象。对流层在国外还常称它为“天气层”。

2.平流层

自对流层顶向上至55km左右这一范围称为 平流层 。其主要特点如下。

（1）最初20km以下，气温基本均匀（即随高度基本不变）；从20km到55km，温度很快上升，至平流层顶可达270～290K，这主要是由于臭氧吸收太阳辐射所致。臭氧层位于10～50 km，在15～30km臭氧浓度最高，30km以上臭氧浓度虽然逐渐减少，但这里的紫外辐射很强烈，故温度随高度的增加能迅速增高。

（2）平流层内气流平稳、对流微弱，而且水汽极少，因此，大多数为晴朗的天空，能见度很好。有时对流层中发展旺盛的积雨云顶部（卷云）也可伸展到平流层下部，在高纬地区有时日出前、日落后，会出现贝母云（也称珍珠云）。

3.中层

自平流层顶部向上，气温又再次随高度的增加而迅速下降，至离地80～85km处达最低值（160～190K），这一范围的气层称为 中层 或中间层。造成气温随高度的增加而迅速下降的原因，一方面，在这一层中几乎已没有臭氧，另一方面，氮和氧等气体能直接吸收的太阳辐射大部分已被上层大气吸收掉。

在中层，有相当强烈的垂直对流和湍流混合，故又称为 高空对流层 ，然而，由于水汽极少，只是在高纬地区的黄昏时刻，在该层顶部附近，有时会看到银白色的夜光云。

4.热层

中层顶（85km）以上是 热层 ，这一层没有明显的上界，而且与太阳活动情况有关，其高度约在250～500km。在这一层，由于氧原子和氮原子吸收大量的太阳短波辐射，而使气温再次升高，可达1000～2000K。在100km以上，大气热量的传输主要靠热传导，而非对流和湍流运动。由于热层内空气稀薄，分子稀少，传导率小，因此，该层的气温能很快上升到几百度。然而，由于大气稀薄，分子间的碰撞机会极少，温度只有动力学意义（温度是分子、原子等运动速度的量度）。如果宇航员能从宇航仓内伸出手来，他也不会感觉到“热”，因为热量还与分子的多少有关。

热层的温度有很显著的日变化，下午的温度可比早晨温度高300K，甚至更多。

热层顶的上部是大气的最高层。在这层中气温很高，但随高度的增加很少变化。由于气温高，粒子运动速度很大，而且这里的地心引力很小，因此，一些高速运动的空气质粒可能散逸到星际空间，这一层通常称为 外逸层 或散逸层。

根据卫星观测，可以推算出不同高度上的空气密度，从而估计外逸层的高度。观测表明，外逸层的高度可以从2000～3000km向外伸展到很远，并逐渐与行星空间融合。