早在1901年，Benard就发现大气温度的差异将产生热力对流。他在实验室曾经做过一个著名的物理实验，如图3.10所示。设有一薄层流体夹于两个水平隔板面之间，流体的厚度为H，比其水平宽度L小得多。施加外部约束即对下层流体加热，使得下层隔板的温度T2高于上层隔板的温度T1，δT＝T2-T1＞0。当约束较弱时(即δT很小)，热量从下层隔板扩散到上层流体。这种现象称为热传导，它是靠分子的热运动来传递热量的，流体总体是“静止的”，无宏观运动，这种运动是分子尺度的。若下层隔板继续加热，当δT达到某一临界数值δTc时，可观测到流体内部突然有上下流动，整个流体层分成许多比较规律的封闭单元，液体呈一串串对流结构，称为Benard对流。只要δTc固定不变，则这种对流是稳定的。事实上，当δT增大到一定值时，靠分子的热运动传递热量已经不够，于是，要形成更大尺度的宏观对流来传递热量。
实际大气中Benard对流的现象是相当普遍的，夏日因热力强迫形成的对流云(或所谓的对流单体)和沿海地区的海陆风，在局地天气预报及中尺度天气分析中是需要考虑的，对此，将有专门章节介绍。这里我们用Benard对流来说明大气环流现象。
由前图3.9可见，大气温度的变化表现在低纬度地区大气温度高于高
系统接收太阳辐射随纬度变化的分布状况下，低纬低层大气为热源，高层和极地大气为热汇(冷源)。设想低纬大气相当于Benard对流实验装置中的高温下层隔板，具有温度为T2，而极地的温度为T1，T2＞T1。于是与Benard对流形成的过程相同，当δT=T2-T1超过一临界值时，对流出现。相似的对流也发生在低层(热源)与高层(冷源)大气之间。因此，流体为了平衡流体内部不平衡的热量分布，将会自发地产生了宏观的由南向北，由低向高的定向运动。这就是Hadley(1735)单圈环流的形成机制(如图3.11)。
然而，Benard实验只能定性说明大气环流现象。进一步从理论上分析，大气在地球重力场作用下，等密度面ρ(z)应该与地表面平行。由于极赤温差、高低空温差的出现，温度的变化将引起密度的变化，根据静力平衡关系，不难得到
(3.2)
H1(z)是从大气上界到大气下界的高度，并假设大气下界H0(z)是平坦
(3.3)
可见，辐射加热使气柱高度增高，并导致气柱的质量重心抬高。由于大气辐射加热的不均匀，产生质量分布的不均匀并以整个气层高度起伏不平的形式表现出来。(3.3)式说明温度梯度的南北差异导致了气压梯度力，而气压梯度力最终驱动了大气，导致了风。