平流层（stratosphere），亦称同温层，是地球大气层里上热下冷的一层，此层被分成不同的温度层，当中高温层置于顶部，而低温层置于低部。它与位于其下贴近地表的对流层刚好相反，对流层是上冷下热的。在中纬度地区，平流层位于离地表10公里至50公里的高度，而在极地，此层则始于离地表8公里左右。

平流层是夹于对流层与中间层之间。

平流层之所以与对流层相反，随高度上升而气温上升，是因为其顶部吸收了来自太阳的紫外线而被加热。故在这一层，气温会因高度而上升。平流层的顶部气温大概徘徊在270K左右，与地面气温差不多。平流层顶部称为平流层顶，在此之上气温又会再以随高度而下降。至于垂直气温分层方面，由于高温层置上而低温层置下，使到平流层较为稳定。那是因为那里没有常规的对流活动及如此相连的气流。

此层的增温是由于臭氧层吸收了来自太阳的紫外线，它把平流层的顶部加热。至于平流层的底部，来自顶部的传导及下部对流层的对流刚好在那里抵消。所以，极地的平流层会于较低高度出现，因为极地的地面气温相对较低。

在温带地区，商业客机一般会于离地表10公里的高空，即平流层的底部处巡航。这是为了避开对流层因对流活动而产生的气流。而在客机巡航阶段所遇上的气流，大多是因为在对流层发生了对流超越现象。同样地，滑翔机一般会在上升暖气流上滑翔，这股气流从对流层上升到达平流层就会停止。这样一来变相为世界各地的滑翔机设定了高度限制。（纵然有些滑翔机会用上背风波来飞得更高，把滑翔机带到平流层之中。）

平流层是一个放射性、动力学及化学过程都会有强烈反应的区域。因为其水平的气态成份混合比起垂直的混合都来得要快。一个较为有趣的平流层环流特性是发生于热带地区的准双年震荡（QBO）。这种现象由重力波引导，是由于对流层的对流而引至的。准双年震荡引致了次级环流的发生，这对于全球性的平流层输送诸如臭氧及水蒸气等尤为重要。

在北半球的冬季，平流层突发性增温经常发生。这是因为平流层吸收了罗斯贝波所致。

氮气、氧气、少量的水汽、臭氧（在22-27千米形成臭氧层）、尘埃、放射性微粒、硫酸盐质点。

平流层内的风力分布颇为特别，首先平流层底部受到对流层顶部的西风带影响，所以几乎都吹着西风。然后，平流层上中部则会出现以下的现象。极地附近的夏季会有极昼的现象发生，所以处于夏季的半球，高纬度地区受到的日照时间会比低中纬度地区为长。因为极地附近会因臭氧层而渐渐和暖，结果形成了高压状态。反之低纬度会相对地处于低压状态。为了消除这种不稳定，就会产生出从高压处流向低压处的气流。可是这种气流又受到科里奥利力所影响而变成了东风。因此，在平流层的上中部除了特别的场合以外，夏季会比较盛行东风，亦即东风带，称为平流层东风。

而冬季来临时这个现象就会逆转发生。极地附近就会与夏季相反整天也不会受到太阳照射，结果高纬度地区就会比低中纬度地区低温，亦即进入低压状态。因此产生了从低纬度流向高纬度的气流，再因科里奥利力的影响而变成了西风，称为平流层西风。由于这种现象会随季节变化而改变风向，所以亦可被认为是季候风的一种，称之为平流层季候风。平流层西风及平流层东风的最大风速都可达到每秒约50米。

由于平流层的高度较对流层高，因此与到达地表的太阳辐射相比，平流层的太阳辐射含有更多的短波紫外辐射。一般将来自太阳的紫外辐射按照波长的大小分为三个区，波长在315-400nm（1nm=10-9m）之间的紫外光称为UV-A区，该区的紫外线不能被臭氧有效吸收，但是也不造成地表生物圈的损害。事实上，这一波段少量的紫外线也是地表生物所必需的，它可促进人体的固醇类转化成维生素D，如果缺乏会引起软骨病，尤其对儿童的发育产生不良的影响；波长为280-315nm的紫外光称为UV-B区，这一波段的紫外辐射是可能到达地表并对人类和生态系统造成最大危害的部分；波长为200-280nm的紫外光部分称为UV-C区，该区紫外线波长短，能量高，不过这一区的紫外线能被大气中的氧气和臭氧完全吸收，即使是平流层的臭氧发生损耗，UV-C波段的紫外线也不会到达地表造成不良影响。

平流层中最重要的化学组分就是臭氧（O3）。臭氧是地球大气中的一种微量气体，由三个氧原子组成，是我们熟知的氧气的同素异形体。臭氧在大气中通常分布在两层，即对流层和平流层中。环绕在地球表面至高空8-16公里范围内的一层大气称为对流层，这一层中的臭氧对人类和生态环境是有害的，它也是当前城市大气光化学烟雾污染的主要物质。对流层向上至大约50公里左右的范围，就是通常所称的平流层。实际上，平流层保存了大气中90%的臭氧，位于这一高度的臭氧能有效地吸收对人类健康有害的紫外线（UV-B段），从而保护了地球上的生命。

平流层空间使用准静止的长驻空飞艇作为高空信息平台，与地面控制设备、信息接口设备以及各种类型的无线用户终端构成的天地空一体化综合信息系统产生平流层通信系统。与通信卫星相比，它往返延迟短、自由空间衰耗少，有利于实现通信终端的小型化、宽带化和对称双工的无线接入；与地面蜂窝系统相比，平流层平台的作用距离、覆盖地区大、信道衰落小，因而发射功率可以显著减少。不但大大降低了建设地面信息基础设施的费用，而且也降低了对基站周围的辐射污染。对人类的贡献相当大。

目前大型客机大多飞行于此层，以增加飞行的稳定度。原因有： 能见度高：地球大气的平流层水汽、悬浮固体颗粒、杂质等极少，天气比较晴朗，光线比较好，能见度很高，便于高空飞行。

受力稳定：平流层的大气上暖下凉，大气不对流，以平流运动为主，飞机在其中受力比较稳定，便于飞行员操纵驾驶。

噪声污染小：平流层距地面较高，飞机绝大部分时间在其中飞行，对地面的噪声污染相对较小。

安全系数高：飞鸟飞行的高度一般达不到平流层，飞机在平流层中飞行就比较安全。当然，在起飞和着陆时，要想方设法驱赶开飞鸟才更为安全。

发生于热带地区平流层低层的大型波动。它表现为风的周期性振荡。已发现的热带平流层波动主要有两种：开尔文波和罗斯比－重力混合波。这两种波动都是叠加在赤道平流层纬向风的准两年周期振荡之上的周期较短的波动。准两年周期振荡主要指东风和西风以24～30个月为周期交替出现的现象(见平流层和中层大气环流)。在西风盛行时期，平流层的经向风具有4～5天的准周期振动，这种振动是由一种水平波长约 10000公里（全球波数为4），铅直厚度约 4～8公里，波动的位相一面向西一面向下传播而能量向上传播的波动造成的。这种波称为罗斯比-重力混合波。在东风盛行时期，平流层存在只有纬向风扰动的另一种波动，其周期约15天，波长约30000公里（全球只有1～2个波），铅直厚度约6～10公里，波动的位相一面向东一面向下传播而能量向上传播，这种波称为开尔文波。罗斯比－重力混合波和开尔文波的特性不同(见表)。

根据动力气象学的理论，对于受地球自转影响的行星尺度的惯性重力波而言，存在一种既具有罗斯比波特性又具有重力内波特性（见大气波动）的混合波，即为罗斯比-重力混合波,这种波的气压场（或高度场）和流场的理论特性，同表中向西移动的波的特性相符，波的气压场（或高度场）对赤道不对称，但经向风扰动在赤道最大，向两极衰减。开尔文波是一种无经向速度扰动的行星尺度重力内波。早已在海洋中发现，相当于沿海岸传播的浅水重力波，它垂直于海岸的扰动速度分量为零。在大气中，赤道南北的科里奥利参数（f=2ωsin嗞，ω地球自转角速度，嗞地球纬度）的符号相反，这相当于赤道起了海岸的作用,垂直于赤道的南北向扰动速度为零。

一般认为，平流层的这两种行星尺度的波动，都是由赤道附近对流层中大规模对流加热的振荡而激发起来的。热源振荡产生的能量向上传输，从而激发上述波动。此外，平流层纬向风的准两年周期振荡，也可由罗斯比-重力混合波和开尔文波的动量铅直传输得到解释。西风区中的罗斯比-重力混合波向上输送东风动量,使东风区的风速加强而向下扩展；开尔文波则将西风动量输送到盛行东风的区域之上的西风区，使西风得以下传，改变了风系，形成下传的平流层纬向风系准两年周期振荡。