一、大气的垂直范围（大气上界）
根据某些物理现象出现的最大高度来确定的大气上界称为大气的物理上界。据气象卫星探测资料推算，大气上界大约在800—1000km高度上。如极光现象出现在1200 km的高度上，把1200 km定为大气的物理上界。极光是在高纬度地区高空的一种辉煌闪烁的彩色光环或光幕，多见于晴夜。极光是磁层中沿磁力线沉降的高能电子或质子，通过高层大气时碰撞并激发大气原子而形成的高空彩色光象。主要出现在高纬度地带。利用人造卫星探测资料来分析，发现2000-3000 km间的大气密度已接近于星际空间的气体密度，故又把大气上界定义在2000-3000 km。
二、 大气的垂直分层
大气的垂直分层的方法多种多样，但应用最多、最广泛的是按大气的温度结构分层，即根据大气温度的垂直分布特点对大气进行分层。描述大气温度在垂直方向上的变化，通常采用垂直温度梯度的概念。
（一） 垂直温度梯度
又称气温垂直递减率（气温直减率），指在垂直方向上，高度每变化100米，气温的变化值，并以温度随高度的升高而降低为正值。通常用r表示，即r＝-△t/△z。并且规定：
r>0，表示气温随高度的升高而降低；
r<0，表示气温随高度的升高而升高，该气层称为逆温层或阻挡层；
r＝0，表示气温随高度保持不变，该气层称为等温层。
（二） 大气的分层
世界气象组组根据大气温度的铅直分布、扰动程度、电离现象等不同性质，统一规定将大气在铅直方向分为五层：即对流层、平流层、中间层、热成层和外层。
1．对流层
（1）对流层的厚度
对流层是大气圈最低的一层。对流层的厚度比其他各层都薄，在低纬度地区平均为17-18km，中纬度地区为 10-12k。，高纬度地区为8-9 km。
（2）对流层是气象学研究的主要对象
对流层大约集中了整个大气质量的3／4和几乎全部水汽，主要的大气物理现象都发生在这一层中，是天气变化最复杂的层次，也是对人类活动影响最大的一层。
（3）对流层的三个主要特征
①气温随高度增加而降低
在不同地区，不同季节，不同高度，气温降低值是不同的。平均每上升100m气温降低约0.65℃。
②空气具有强烈的对流运动
由于空气的对流运动，高层和低层的空气得以进行交换和混合，使近地面层的热量、水汽和杂质等向上输送，这对成云致雨有重要作用。
③温度和湿度的水平分布不均
在寒带内陆上空的空气，因受热较少和缺乏水源，就显得寒冷而干燥。在热带海洋上空的空气，因受热较多，水汽充沛，就比较温暖潮湿。由于对流层中温度和湿度水平分布不均，从而经常发生大规模空气的水平运动。
（4）对流层的划分
根据对流层内受地面影响以及气流和天气现象分布特点，从下向上又可分为摩擦层和自由大气层。
①摩擦层（friction layer）
又称行星边界层（planetary boundary layer），厚度约1.5km。其特点为：受地面影响大；气象要素有明显的日变化；湍流运动明显。 摩擦层又可分为近地面层（5-100m的气层）和上部摩擦层。
②自由大气层
1.5km以上直至对流层顶的高度范围。其特点为：不明显受地面的影响；气象要素无明显的日变化；几乎没有湍流运动。
2．平流层
自对流层顶到55km左右高度的气层为平流层。在平流层下层，气温随高度不变或微有上升，到20-30km以上，气温升高较快，到了平流层顶，气温约升高至-3—-7℃。平流层的这种气温分布特征，是与它受地面影响很少，并且存在着大量能吸收太阳紫外线的臭氧有关。气流平稳，适于飞机飞行。
3．中间层
从平流层顶部至85km左右高度。该层的特点是气温随高度又迅速降低，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。
4．热成层（暖层或电离层）
范围从中间层顶部至500km高度。热成层内空气稀薄，空气分子在太阳紫外线辐射的作用下变为离子和自由电子，空气处于高度电离状态，故名电离层。气温随高度的增加而升高，受太阳辐射影响大。
5．外层（散逸层）
一般指500km以上的气层。它是大气的外层，是大气圈与星际空间的过渡地带。由于这里温度高，空气粒子运动速度很快，又因距离地球较远，地球引力很小，因而大气质点不断向星际空间散逸。