По многолетним наблюдениям могут быть выявлены определенные типы годового хода температуры, представляющие собой правильные периодические колебания. Это — экваториальный, тропический, тип умеренного пояса и полярный. Каждому из них соответствуют в среднем определенные условия продолжительности зимы и лета, время и величина максимальных и минимальных температур. Но в отдельные годы эта общая картина нарушается из-за вторжения различных воздушных масс. Так, частые вторжения морских воздушных масс на сушу приводят к уменьшению амплитуд, а холодных континентальных масс воздуха на побережье океанов и морей — к увеличению. В весеннее время при вторжении масс воздуха из Арктики происходят значительные похолодания, возвраты холодов. Например, 12–16 мая 1954 г. в Ленинграде температура воздуха была от —1° до 6°. Волна холода вторгалась 15 мая 1912 г. в Якутию и понизила там температуру до —10°. Осенью при поступлении теплых масс воздуха из тропиков в умеренные широты наблюдаются возвраты тепла — «бабье лето».

Чтобы представить себе распределение температуры на больших территориях, вычерчивают карты изотерм — линий равных значений температуры в данный момент пли в среднем за определенный промежуток времени (сутки, месяц, сезон и т. д.). Уже говорилось, что температура воздуха в среднем убывает с высотой. Поэтому, чтобы наблюдения, произведенные в разных пунктах, были сравнимы между собой, измеренную температуру приводят к уровню моря, исходя из того, что в тропосфере на каждые 100 м высоты она понижается в — среднем на 0,6°. Изотермы могут проводиться на картах с интервалами в 1, 2, 4, 5 и 10°. Распределение температуры в разное время года отражают прежде всего среднемесячные карты наиболее теплого месяца (июля) и наиболее холодного (января). Казалось бы, эти изотермы должны повторять широтные круги. Однако январские изотермы не совпадают с ними, имеют различные изгибы, особенно отчетливые в северном полушарии в районах границы суши и моря, где велико различие температур воздуха. В южном полушарии с огромной поверхностью океанов изотермы приближаются к широтному направлению.

А в северной части Атлантического океана январские изотермы близки к направлению меридианов. Такое же направление изотерм зимой и на севере европейской территории нашей страны. Чем дальше от океана, тем воздух холоднее. В самых холодных местах, на севере Якутии, в районах Верхоянска и Оймякона, проходит изотерма —48…—50°. Здесь бывали отдельные дни, когда температура падала до —68…—71°. Недаром этот район называют полюсом холода северного полушария. Второй полюс холода находится к северо-западу от Гренландии (остров Элсмир). Средняя температура самого холодного месяца —55°, среднегодовая ниже —35°, а минимальная —70°.

Благодаря притоку теплого воздуха с океана западные берега материков зимой относительно теплы. Теплое Атлантическое течение создает такие условия, что изотерма —20° в Европе отходит на север до 83° с. ш. и значительная часть Баренцева моря до Кольского залива не замерзает. В это время в Мурманске примерно на градус теплее, чем в Москве.

Летом температурные контрасты между полюсом и экватором меньше, изотермы проходят реже, над материком в это время теплее, чем над океаном. Над материком в северном полушарии изотермы изгибаются к северу, а над Северной Америкой, Африкой и Азией проступают области тепла. В одной из таких отчетливо выраженных областей, оконтуривающих Сахару, температура достигает 40°, а в некоторые дни превышает 50°, абсолютный максимум равен 58°. Максимальная температура (50 °C) в нашей стране наблюдалась на юге среднеазиатских пустынь. Самые высокие температуры лежат приблизительно вдоль 10° с. ш. и, смещаясь в течение года, все же в основном остаются в северном полушарии.

Линию, соединяющую точки наибольших средних температур (годовой или определенные месяцы) на земной поверхности, называют термическим экватором. Есть и другое определение термического экватора; «параллель с наиболее высокой средней температурой воздуха (годовой или месячной)». Термический экватор охватывает широкую зону, в которой средние годовые температуры 25–26,5°. В июле в южном полушарии зима и изотермы близки к параллелям. Чем ближе к Антарктиде, тем становится заметно холоднее. На побережье сурового Антарктического материка в июле в среднем —15… —35°, в центре Восточной Антарктиды до —70°. Бывают дни, когда температура здесь падает ниже —80°. На станции Восток (78° ю. ш.) наблюдалась самая низкая температура на Земле (—88,3 °C). Это — полюс холода пашей планеты.

Максимальные температуры почти всюду запаздывают по сравнению с датой летнего солнцестояния. Это запаздывание меньше в континентальном климате и больше в морском. Минимальные температуры запаздывают еще больше по отношению к зимнему солнцестоянию. Вблизи экватора в горах амплитуда хода температуры мала. Так, например, в Эквадоре в Кито (0°14' ю. ш.) на высоте 2810 м температура сентября (здесь это самый теплый месяц) равна 13,2°, а самого холодного (марта) 12,9°. Чем дальше от экватора, тем быстрее возрастает амплитуда годового хода температуры воздуха. В Москве она составляет 29°, а Верхоянске 64°. Область муссонов в Южной Азии имеет своеобразный ход температуры — зима и весна сухие и безоблачные, температура быстро растет и в апреле достигает в среднем 30°, а местами более 35°. В конце апреля в Бирму и в начале июня в Индию приходит с моря летний муссон с облаками, дождями и похолоданием. В сентябре, с окончанием муссона, начинается постепенное повышение температуры. Эта особенность присуща именно данному району.

Непериодические, иногда очень быстрые и резкие колебания температуры вызывает прохождение циклонов и фронтов. Например, в Ленинграде температура под их влиянием может понижаться зимой до —36° и повышаться летом до 33°, в Якутске колебания бывают соответственно —64° и 38°. Непериодические изменения температуры происходят постоянно, как большие, так и малые, и это естественное состояние атмосферы.

В приземном слое атмосферы (до 2 м) температура воздуха определяется главным: образом поверхностью, и чем ближе к ней в летнее время, тем воздух теплее. Ночью же, когда земля охлаждается быстрее, приземный воздух холоднее, чем в более высоких слоях. Таким образом, летом поток тепла направлен вверх, особенно в ясные дни. Зимой в слое 200–300 м поток тепла направлен вниз. На высотах порядка 17 км в тропических широтах температура воздуха очень низкая (—80°). По обе стороны от тропического пояса в слое 8—11 км температура относительно выше, до —60… —65°. Это — температура воздуха в тропопаузе, она может сильно изменяться от дня ко дню и по высоте.

Изучение температуры в высоких слоях атмосферы в последние десятилетия производится с помощью искусственных спутников Земли и космических кораблей. До начала 1950-х годов температуру воздуха на высоте больше 30–40 км определяли косвенными методами. Оказалось, что результаты обоих методов между собой согласуются. Небольшое повышение температуры с высотой существует до 50 км. Летом здесь около 0°, а зимой — 20… —30°. Выше температура быстро убывает и на высоте 80 км (на верхней границе мезосферы) составляет —75…—90°. Здесь отсутствует озон, поглощающий солнечную радиацию. Далее вверх температура вновь повышается — вначале быстро, а между высотами 200–300 км медленнее. Выше 400 км температура непрерывно увеличивается с высотой. Наблюдения со спутников показали, что на больших высотах существует большой суточный ход температуры — на высоте 800 км днем 2000°, ночью 1000°. Это явление сейчас исследуется. Предполагают, что разогревание осуществляется благодаря ультрафиолетовому и рентгеновскому излучению Солнца.