【大气】地球的引力作用使地球周围积聚了约二三千公里厚的完整空气层，称为大气，也叫大气圈。大气是一种混合物，由干洁空气、水汽和各种悬浮的固态杂质微粒组成。干洁空气主要成分是氮、氧、氩等，约占干洁空气总量的99．97％以上，其次有二氧化碳、臭氧等多种气体。大气中的氧和氮是地球上一切生物呼吸和制造营养的源泉，是维持生命必不可少的。臭氧和二氧化碳含量虽少，但作用很大。臭氧可以在高空大量吸收太阳紫外线，保护地面生物免受强烈紫外线的伤害，而透射到地面上的少量紫外线又可以起到杀菌治病的作用。二氧化碳可以吸收和发射长波辐射，对大气和地面温度的调节产生重要影响。大气中的水汽和尘埃含量甚微，然而它们却是成云致雨，导致天气现象千变万化的重要因素。可以说，地球上没有大气，就不会有生命。大气根据温度、成分、荷电等物理性质，并考虑大气垂直运动状况，可将大气划分成对流层、平流层、中间层、暖层、散逸层五个层次。
【对流层】最靠近地面的一层大气，其下界是地面，上界则随纬度和季节等因素而变化，其平均高度在低纬地区为17～18公里；中纬地区为10～12公里；极地附近为8～9公里。通常夏季对流层上界的高度大于冬季。对流层厚度虽然不大，但却集中了大约75％的大气质量和90％以上的水汽质量。因此，大气中的主要天气现象，如云、雾、降水等都发生在这一层。对流层空气的增温主要是依靠吸收地球表面的热量，从而形成气温随高度升高而降低的显著特点，平均递减情况大约为高度每增加100米气温降低0．65℃，高山常年积雪和高空云层多为冰晶组成就是证明。另外，对流层内空气有规则的垂直运动和无规则的乱流运动相当强烈，因此，对上下层水汽、尘埃及热量的交换混合，对水汽凝结、能见度变化也都有很大影响。对流层以上为平流层，在两层的交界处有一个过渡层，称为对流层顶。在那里，温度变化随高度升高，而降低缓慢，甚至不变，使上升的水汽、尘埃多在此处聚集，大气透明度变得很坏。
【平流层】自对流层顶向上到50千米高度左右的大气层。其特点是：
（1）在平流层中空气的垂直混合运动显著减弱，特别是上半部，几乎没有垂直气流，整个气层比较平稳，非常有利于飞行。
（2）平流层的下半部温度基本上是不变的（随高度升高温度不变的气层叫等温层）或随高度增加略有上升；上半部的温度则随高度的增加而显著升高（温度随高度增加而升高的气层叫逆温层）。平流层顶部的温度可增至0℃左右，这主要是与该层内臭氧直接吸收太阳紫外辐射有密切联系。在平流层内，高20～25公里处臭氧含量最多。臭氧分布的上限至平流层顶，高度愈高大气获得的热量愈多，温度也就愈高。
（3）平流层内水汽、尘埃含量甚微，很少出现云，大气透明度良好。中高纬地区在晨昏时分偶尔可见到由细小冰晶组成的焕发奇异色彩的珠母云。
【中间层】亦称中层或中圈。其位置在平流层顶到85公里左右的范围内。该层的最大特点是，温度随高度增加而迅速降低，其顶部温度可降至-83℃～113℃左右。中间层内由于下暖上冷也有相当强烈的对流运动和乱流混合现象，故又有高空对流层之称。高纬地区黄昏来临时，在中间层顶附近常可观测到具有特异的银白色夜光云，在落日余光的辉映下色泽微青，十分明亮，这是水汽凝结物的光学现象。
另外，中间层内还进行着强烈的光化学反应，这些反映与大气的电离过程以及太阳辐射的变化过程有着密切联系。
【暖层】又称热层、电离层或热圈。自中间层顶部到800公里左右高度的范围称之。该层有两大特点：其一，温度随高度的增加而迅速升高，据人造卫星探测，在300公里高度上，可达1000℃以上。其二，该层空气处于高度的电离状态。这是由于空气在强烈的太阳紫外辐射和宇宙射线的共同作用下形成的，所以该层又叫电离层。据探测，在暖层各高度上空气电离的程度是不均匀的。其中最强的是E层和F层。E层约在100～120公里高度上，F层约在200～400公里高度上，在夏季的白天还分裂成F1、F2两层。此外，在80公里高度上还有一个只在白天出现的D层。电离层受太阳活动的影响很大，白天增强，夜间减弱。电离层能反射无线电波，使无线电波绕地球曲面进行远距离的传播。因此正确理解和掌握电离层的变化规律，是无线电通讯中必须考虑的一个因素。
【散逸层】也叫外层，地球大气的最外层。暖层顶以上的大气层统称之。它是大气的最高层，是大气圈和星际空间的过渡带。这层空气的温度也随高度增加而升高。该层内由于温度很高，空气极其稀薄，地球引力又很小，以致某些高速运动的空气分子可以挣脱地球引力的束缚、克服其他大气质点的阻碍而散逸到宇宙空间去。散逸层的上界也就是大气的上界，究竟有多高？据实测，大气密度是随高度增加而减小的，在700～800公里高度处气体分子之间的距离可达几百米远，这种情况已超过了实验室中可能获得的最高真空。若继续向上，空气更为稀薄，直至到达“星际空间”时仍然不是绝对真空，就是说大气和星际空间并不存在一个截然界面。气象上常把“极光”出现的最大高度（1000～1200公里），作为大气上界。近代卫星探测资料表明，把大气上界定为2000～3000公里则更加接近实际。
【磁层】在太阳风的影响下，地球磁场被局限在一定范围内，这个范围称为磁层。磁层由于受太阳风的推斥，使地球磁场所发生的磁力线向后弯曲，向背着太阳的方向延伸，在空间可以拖曳到相当几百甚至上千个地球半径的长度，好像彗星一样，地球外层的磁层开始于地表以上600～1000公里处。起着保护地球上的生物免受各种宇宙射线和带电粒子袭击的作用。
【辐射带】根据空间探测资料发现，在大气圈外侧，环绕着运动着的高能带电粒子带，这个带电粒子带被约束在地球磁层之中，沿着磁力线作螺旋运动，同时不断地辐射出电磁波，辐射带因此而得名。辐射带又分为内辐射带、外辐射带和第三辐射带。内辐射带约离地面1000公里，厚约5000公里，带内为1000万到1亿电子伏特的高能质子。外辐射带离地面约1.2万公里，厚约6000公里，截面和内辐射带一样都呈新月形，带内电子能量为1兆电子伏特。第三辐射带离地面5万公里，带内电子能量较低。这些辐射带和磁层一样，能保护地球上的生物免受各种宇宙射线和带电粒子的袭击。这个带是美国物理学家范·艾伦测定的，所以也叫范·艾伦辐射带。
【臭氧层】在平流层中，太阳紫外线的强烈作用，使大气中的氧分子离解为氧原子（O2→O+O），然后，氧原子又和其他氧分子组合在一起（O+O2→O3）形成了臭氧。臭氧在大气中的含量极其微少，而且随着高度而变化。在距地20～25公里的高度处达到最大值，因受太阳紫外线辐射的缘故，形成了包围在地球外围空间的臭氧层。臭氧层对太阳紫外线辐射的吸收极为强烈，这种作用不仅使高空大气的温度在平流层中迅速升高，同时还保护地面上的生物避免受到过多紫外线辐射的伤害。而透过大气层到达地面的少量紫外辐射，臭氧层正是人类和其他生物赖以生存的保护伞，对人类和各种生物却可以起到杀菌治病作用。
【气象要素】大气的物理现象和物理过程是用许多物理量来表示的，综合各物理量的特征便能描述出大气的各种状况。这些物理量统称为气象要素。例如，表示空气性质的压强、温度和湿度；表示空气运动状况的风向、风速；表示大气物理现象的雨、雪、雷、电等。气象要素选择得愈多，就愈能详细地表达大气状况。天气预报、人工降水、人工消雹就是在掌握了气象要素观测资料的基础上实现的。
【辐射】自然界中一切物体，在其温度高于零度的情况下，都要时刻不停地以电磁波的形式向外传递能量，这种传递能量的方式称为辐射。以这种方式传递的能量，称为辐射能，也简称辐射。所以“辐射”既是指电磁波传递能量的方式，又是指以此方式所传递的能量。
平时我们所讨论的是太阳、地面和大气的辐射，它们的电磁波波长范围约在0．15～120μm之间。太阳辐射的主要波长范围大约是0．15～4μm；地面辐射和大气辐射的主要波长范围约是3～120μm。习惯上把太阳辐射称为短波辐射，而把地球表面及大气的辐射称为长波辐射。理论和实践证明：物体的温度愈高，则辐射波长愈短；物体的温度愈低，则辐射波长愈长。辐射强度常常用“垂直方向上单位时间内通过单位面积的辐射能”来表示。单位是卡/厘米2·分。
【太阳辐射】太阳是一个巨大的炽热的气体恒星球，表面温度约为6000°K，中心温度高达2000万度左右。它时刻不停地以电磁波的形式向宇宙空间放射能量，其中辐射到地球的部分称为太阳辐射。太阳放射到地面的能量仅占其全部放射能量的20亿分之一。然而，这部分辐射能却是地球表面及大气热量的主要源泉。其他星体（如月亮及行星）射来之辐射能，其量甚微，仅占太阳辐射能的万分之一，可以忽略不计，至于地心内部的热量就几乎不起作用了。据估计，地球表面每年从太阳获得的总能量比目前全世界各种能源产生的能量总和还要大2万倍。可以说，太阳是一个取之不尽、用之不竭又没有污染危险的巨大能源。
太阳辐射的主要波长范围在0．15～4微米（μm），其中波长在0．4～0．76微米之间的是可见的光；波长小于0．4微米的是紫外线，大于0．76微米是红外线。紫外线和红外线，都属于肉眼无法分辨的不可见光部分。
【太阳辐射强度】指垂直于太阳直射光线的每平方厘米黑色表面上在一分钟内吸收全部投射于其上的太阳辐射能后所获得的热量（以卡为单位），它表示太阳辐射能量的大小。
影响太阳辐射强度最主要的因素是日地距离、太阳高度角和大气透明度。实际观测结果证明：冬季辐射强度大于夏季；中午辐射强度大于早晚；晴朗天空辐射强度大于混浊天空。同样道理，海拔高的地区太阳辐射强度也总是比较大的。
【太阳常数】在大气上界，当太阳位于日地平均距离时，垂直于太阳光线的单位面积上，在单位时间内所获得的太阳辐射能量称为太阳常数。通常用S0表示，其值约为1．98卡/厘米2·分。
太阳常数并不是永恒不变的，据长年观测，也有微小的变动，这种变动是与太阳表面的复杂物理过程，特别是与太阳黑子的活动相关。太阳表层为高温下运动剧烈的气体，其中形成的涡旋即称为太阳黑子。黑子的温度实测为4500度左右，较其四周太阳表层温度低。因此，太阳黑子的多寡与太阳辐射强度关系密切。黑子数目的增加表示太阳有更多能量由深层发射出来，故最初太阳辐射强度也增加，但是当黑子数量增加到一定程度时，因黑子本身温度较低，反而会使太阳辐射强度逐渐减小。
【散射辐射】太阳辐射在大气中遇到空气分子或微小的质点时，当这些质点的直径小于组成太阳辐射的电磁波波长时，太阳辐射中的一部分能量就以电磁波的形式从该质点向四面八方传播出去，这种现象称为散射。太阳辐射通过大气时，遇到分子尘粒、云滴等质点时，都要发生散射。通过散射形式传播的能量称为散射辐射。散射只改变了辐射的传播方向，使一部分太阳辐射不能到达地面。散射过程中微小质点并不吸收太阳辐射而增加自身的内能。理论和实践表明，辐射波长愈短，散射愈强。在可见光中，紫光和蓝光的波长最短，因此散射也最强。平时，我们在晴朗天气里所见到的蔚蓝色天空，实际是大气中微小质点对紫光、蓝光强烈散射的结果。散射只对于微小质点适用，如果大气中质点的直径接近或超过了辐射光的波长，则产生漫射现象，当入射光是白光时，漫射后仍是白光。这就是雾天或空气混浊时的天空常呈灰白色的原因。
【地面辐射】地球表面一方面吸收太阳辐射，同时也按本身的温度向外放出辐射，这种由地面向外放出的辐射能量称为地面辐射。
地面的平均温度约为300°K，由于它的温度远远低于太阳的表面温度，所以，地面的辐射能力也远比太阳小得多，辐射的波长也较长，属长波辐射。
地面辐射能力大小与地面性质和温度密切相关，其中雪面的辐射比其他自然表面强；白天地面辐射比夜间强。地面辐射除部分透过大气奔向宇宙外，大部分被大气中水汽和二氧化碳所吸收，其中水汽对长波辐射的吸收更为显著。地面辐射是对流层大气，特别是近地层空气温度变化的主要源泉。
【大气逆辐射】大气凭借自身的温度向外辐射能量，其方向既有向上的，也有向下的。大气辐射中向下的部分，称为大气逆辐射，它属于长波辐射。
地面辐射被大气吸收，同时大气逆辐射也能被地面吸收，这就使地面以长波形式辐射所损耗的热量得到一定的补偿（特别是大气中云层较厚或水汽含量较多时），即大气对地面起到了保温作用。这种作用类似花房中玻璃窗的保暖作用，故常称为大气的温室效应。据估计，如果没有大气，地表平均温度应为—23℃左右，而实际地表平均温度是15℃左右。也就是说，大气花房效应使地表平均温度提高了将近38℃。
【地面有效辐射】地面辐射和地面吸收的大气逆辐射之差，称为地面有效辐射，简称有效辐射。有效辐射的波长范围属于红外线部分，所以又称作“净红外辐射”。
影响有效辐射的主要因素有：地面温度、空气温度、空气湿度和云的状况。一般说来，地温愈高，气温愈低，空气湿度愈小和云愈少时，有效辐射愈强。此外，有效辐射还与海拔高度有关。海拔愈高，大气透明度愈好，则有效辐射也愈强。地面有效辐射的作用在白天还不很显著，但在夜间，由于没有太阳辐射，有效辐射便很明显，气象上常常以此作为预报地面最低温度，霜、雾等天气的重要依据。
【辐射平衡】亦称“辐射差额”，是指地面吸收的总辐射与地面向外放出的总辐射之差值。
影响地面辐射平衡（差额）的因子主要有：纬度、季节、昼夜和云况等。辐射差额的一般变化规律是：低纬为正，高纬为负；夏季为正，冬季为负；白天为正，夜间为负。另外，天空云量的多少对辐射平衡影响很大，云量愈多，辐射差额愈小，反之亦然。
研究辐射平衡对分析和了解各个地区的气候情况是非常重要的。