Воздух нижнего слоя атмосферы нагревается за счет передачи ему тепла от подстилающей поверхности. Важную роль в переносе тепла от деятельной поверхности в вышележащие слои тропосферы играет турбулентный (беспорядочный) теплообмен и передача скрытой теплоты парообразования.
Беспорядочное движение частиц воздуха, вызванное его нагреванием от неравномерно нагретой подстилающей поверхности, называются термической турбулентностью или термической конвекцией. Если вместо мелких хаотически движущихся вихрей начинают преобладать мощные восходящие (термики) и менее мощные нисходящие движения воздуха, конвекция называется упорядоченной.
temp_god
Распределение средней годовой температуры воздуха на уровне моря (ºС) (по С.Г. Любушкиной и др.).
 
Нагревающийся от поверхности воздух устремляется вверх, перенося тепло. Термическая конвекция может развиваться до тех пор, пока воздух имеет температуру выше температуры той среды, в которой он поднимается, Если температуры поднимающегося воздуха и окружающего воздуха сравняются, то поднятие прекратится.
Количество тепла, получаемое воздухом от поверхности посредством турбулентности, больше количества тепла, получаемого им в результате излучения в 400 раз, а в результате передачи путем молекулярной теплопроводности – почти в 500 000 раз.
В поднимающемся воздухе температура изменяется вследствие адиабатического процесса (за счет преобразования внутренней энергии газа в работу и работы во внутреннюю энергию). Поднимающийся воздух расширяется, производит работу, на которую затрачивает внутреннюю энергию, и температура его понижается. Опускающийся воздух, наоборот, сжимается, затраченная на это энергия освобождается, и температура воздуха растет.
Сухой или содержащий водяные пары, но ненасыщенный ими воздух, поднимаясь, адиабатически охлаждается на 1º на каждые 100 м. Воздух, насыщенный водяными парами, при подъеме на 100 м охлаждается на 0,6о, т.к. в нем происходит конденсация, сопровождающаяся выделением тепла.
При опускании и сухой и влажный воздух нагревается одинаково, поскольку при этом конденсации влаги не происходит. На каждые 100 м спуска воздух нагревается на 1º.
Распределение тепла в нижнем слое атмосферы может иметь и обратный порядок. Возрастание температуры с высотой называют инверсией, а слой, в котором температура с высотой возрастает, – слоем инверсии.
Виды инверсии:
-       Радиационная инверсия – инверсия излучения, образуется после захода Солнца, когда солнечные лучи нагревают верхние слои;
-       Адвективная инверсия – образуется в результате вторжения (адвекции) теплого воздуха на холодную поверхность;
-       Орографическая инверсия – холодный воздух стекает в понижения и там застаивается.
 
См. "Словарь. Тепловой режим нижнего слоя атмосферы"
 
Суточный и годовой ход температуры в нижнем слое тропосферы до высоты 2 км, в общем, отражает ход температуры поверхности. С удалением от поверхности амплитуды колебаний температуры уменьшаются, а моменты максимума и минимума запаздывают.
Суточные колебания температуры воздуха зимой заметны до высоты 0,5 км, летом – до 2 км. В слое мощностью 2 м суточный максимум обнаруживается около 14-15 часов, а минимум после восхода Солнца. Амплитуда суточных температур с увеличением широты места уменьшается. Наибольшая в субтропиках, наименьшая – в полярных широтах.
Годовой ход температуры зависит от широты места. От экватора к полюсам годовая амплитуда колебаний температуры воздуха увеличивается. Выделяют 4 типа годового хода температуры по величине амплитуды и по времени наступления крайних температур.
Экваториальный тип – два максимума (после моментов равноденствия) и два минимума (после моментов солнцестояния). Амплитуда над океаном около 1º, над сушей – до 10º. Температура весь год положительная.
Тропический тип – один максимум (после летнего солнцестояния) и один минимум (после зимнего солнцестояния). Амплитуда над океаном – около 5º, на суше – до 20º. Температура весь год выше +15ºС.
Умеренный тип – один максимум (над сушей в июле в северном полушарии, над океаном – в августе) и один минимум (на суше в январе в северном полушарии, над океаном – в феврале), четыре сезона года. Годовая амплитуда температуры увеличивается с увеличением широты и по мере удаления от океана: на побережье 10º, вдали от океана – 60º и более. Температура в холодный сезон отрицательная.
Полярный тип – зима очень продолжительная и холодная, лето короткое и прохладное. Годовая амплитуда 25ºС и более (над сушей до 65º). Температура большую часть года отрицательная.
Усложняющими факторами годового хода температуры являются характер подстилающей поверхности (растительность, снежный или ледовый покров), высота местности, удаленность от океана, вторжение отличных по термическому режиму воздушных масс.