气温随着高度的分布，叫做温度层结。由于在平均情况下，气温随高度总是递减的，所以在气象学中常用气温直减率（r）来表示这种递减程度，规定高度每升高100 m气温降低值称为气温直减率，单位为℃/100 m。对流层平均气温直减率为0.65 ℃/100 m。

高度每升高100 m气温降低值称为气温直减率，单位为℃/100 m。对流层平均气温直减率为0.65℃/100 m。

在实际中气温直减率并非固定不变，它随着离地面高度、季节、天气等条件而不同。

当气温直减率为正值时，表示气温随高度降低；当气温直减率为负值时，表示气温随高度增加而增加，在对流层中如果出现这种现象我们就叫做逆温；当气温直减率为0时，表示气层成等温状态，气温随高度的增加温度不变。

近地层中气温的铅直变化，主要决定于下垫面辐射状况和乱流运动的变化。

白天，下垫面在太阳辐射作用下强烈受热，以感热形式输送给近地层造成气温由下向上递减，这种气温的铅直分布形式，成为日射型（图1中的2）。夜间，下垫面辐射冷却，感热由空气输向地面，形成气温随高度递增，称为辐射型（图1中的1）。介于日射型和辐射型二者之间的称为过渡型。图1中3为早上过渡型，4为晚上过渡型。

近地层气温在铅直方向上的变化是很大的。如以1.5 m以下两个高度的温度差折算每100 m温度变化，具有比气温干绝热直减率（1℃/100 m）大得多的梯度值，故称超绝热梯度。

据南京大学卢其尧1956年7月15日晴天，在陕西省绥德县辛店沟裸地上测得：13时0-5 cm高度的气层，折合为100 m的铅直温度梯度可达49800℃，夜间呈逆温分布，铅直温度梯度是负值，可达 -700℃。

在近地层中，由于乱流运动的结果，各高度的气温都具有脉动的特点，在中午尤其明显。有的观测表明，中纬度地区，中午离地面5 cm高度处，5 s钟内气温脉动达1.7℃。

所以在大气的铅直方向上的分类，对流层、平流层、中间层、热成层和外层的气温直减率如下：

对流层：气温随高度增加而降低，但在不同的地区、不同季节、不同高度气温降低值是不同的。平均每上升100 m气温降低约0.65℃。

平流层：自对流层顶到55 km左右高度为平流层。在平流层的下层，气温随高度不变或微有上升，气温直减率为0或者为负。到25-30 km以上，气温升高较快，气温直减率为负，并且绝对值在增加。到了平流层顶，气温约升至-3℃—— -17℃。平流层的这种气温分布特征，是与它手地面温度影响很小，并且存在着大量臭氧能强烈吸收太阳紫外线有关。所以在平流层，空气的铅直运动远比对流层弱，适于飞机飞行。

中间层：从平流层顶至85 km左右的高度。这层的特点是气温随高度由迅速降低，气温直减率很大，顶部气温可低至- 83℃——- 113℃。由于下暖上冷，再次出现空气的铅直运动。

热成层：又叫暖层。从中间层顶至500 km的高度。在热成层内，随高度的增加气温迅速升高。气温直减率为负。据人造卫星的观测，在300 km的高度上，气温可达1000℃以上，500 km高度处可达1200℃。但自500 km以上高度温度变化不大。这是因为所有波长小于0.175 μm的太阳紫外辐射都为该层中的气体所吸收的缘故。

外层：或称散逸层。一般指500 km以上的大气层。它是大气的外层，是大气圈与星际空间的过渡地带。温度很高。空气粒子运动速度很快，又因距地较远，地球引力作用很小，因而大气质点不断向星际空间散逸。