变温层（heterothermozone）是大气层的一个层次，接近地面，经常有对流现象发生，层内气温随高度而下降。雨、雪、雹等天气现象发生在这一层。它的厚度在中纬度10～12公里，在赤道约17～18公里，在两极约8～9公里。它处于均质层。

变温层是地球大气 中最低的一层，其下边界是下垫面。对 流层的厚度随纬度和季节而不同，在低纬度地区平均为17～18km，中纬度 区平均为10～12km，高纬度地区为8～9km；在任何纬度，对流层的厚度夏季较厚，冬季较薄。对流层中包含了大约 80%的大气质量。其气温随高度的增 加而迅速减小，温度递减率平均为 6.5℃/km。层内对流运动非常强烈，一般低纬较强，高纬较弱，夏季较强，冬季较弱。由于对流层受地表的影响最大，而地表性质差异很大，因此对流层中的温度、湿度水平分布是不均匀的，云、雾、雨、雪等主要大气现象都在此层出现。

变温层内的空气温度、密度和气压随着高度的增加而下降，并且由于地球对大气的引力作用，在对流层内几乎包含了全部大气质量的四分之三，因此该层的大气密度最大、大气压力也最高。洋流汇聚的地方，比如从北冰洋来的洋流和温带海水汇聚以后，并不能完全融合，就产生了温度差，交接的地方就是变温层，其实并没有严格的分界层，只是一个大概的范围，在这个层里由于温度差造成水流比较混乱，对声音的传播就造成了畸变。水温在10℃—30℃之间来回变动，为变温层。

地下温度明显地受到地表大气温度影响的地带。地球表面的温度几乎完全受控于从太阳辐射来的能量流和从地球辐射回太空的能量流之间的平衡。大地热流量导致的温升不可能超过0.02℃。由于太阳辐射存在周期性变化，所以地表温度也出现昼夜变化（日变化）、季节变化（年变化）和长周期变化（多年变化）。地表温度的各种周期变化对地壳表面的影响（穿透）深度也不相同。深度增加，温度的变幅迅速减小。地表温度的长周期变化（如一年）的影响深度要比短周期变化（如一昼夜）的大。昼夜变化的影响深度不足1米；年变化的影响深度接近24米；长周期（如冰期和间冰期）变化的影响深度可达几千米。但一般认为，地壳表层深度达到50米以后，就可以不考虑地表温度变化的影响。当温度变幅为零时，就达到了所谓恒温层的上界。在这个界面以上，地下温度明显地受地表温度变化的影响，因此叫变温层。显然，日恒温层包含在年变温层以内，年恒温层则包含在多年或世纪变温层以内。