大气在准静止时，在垂直方向所受的重力和浮力平衡。一旦局部空气所受重力和浮力之间的平衡被破坏，局部空气就开始上升或下沉。局部空气温度高于环境大气温度时，根据阿基米德定律，局部较暖空气所受浮力等于它排开的相同体积环境大气的重力。由于局部空气温度高于环境大气温度，因而密度小于环境空气密度。二者体积相同时，局部较暖空气的重力小于环境大气的重力，即局部较暖空气所受浮力大于所受重力，将产生上升运动；局部空气温度低于环境大气温度时，所受重力大于浮力，将产生下沉运动。这种因局部空气和周围大气温度差异而产生的垂直运动称对流。
环境大气温度直减率大于绝热直减率（即上升空气温度随高度下降幅度比环境大气温度随高度下降幅度小）的气层，称不稳定气层。环境大气温度直减率越大，气层越不稳定，越有利于对流发展。因为在不稳定气层中，一旦局部空气在外力作用下离开原平衡（静止）位置上升，由于上升空气随高度气温下降幅度比环境大气温度随高度下降幅度小，因此上升空气在上升过程中温度将高于同高度环境大气温度（即浮力大于重力），即便外力消失，上升空气依旧可以继续上升。若局部空气在外力作用下离开原平衡位置下沉，即便外力消失，依旧可以继续下沉。
环境大气温度直减率小于绝热直减率（即上升空气温度随高度下降幅度大于环境大气温度随高度下降幅度）的气层，称稳定气层。环境大气温度直减率越小，气层越稳定，越不利于对流发展。大气中的等温层（气温随高度不变）气温直减率为0，逆温层（气温随高度增加）气温直减率为负值，因此这两种气层非常稳定。在稳定气层中，局部空气一旦离开原平衡位置上升，其温度将低于同高度环境大气温度，所受重力大于浮力，将被迫下沉；局部空气一旦离开原平衡位置下沉，其温度将高于同高度环境大气温度，所受重力小于浮力，将被迫上升。稳定气层中有一种遏制空气上下运动的机制，不允许空气上蹿下跳，但它对水平运动并没约束力。
3.2.3对流产生的条件
不稳定气层是对流发展产生的必要条件，但仅仅有不稳定气层尚不足以产生对流，还需要有一定的外力，推动局部空气离开原平衡（静止）位置。一旦局部空气离开原平衡位置，将获得上升（或下沉）动力，产生对流。这个推动局部空气离开原来静止位置的“外力”，称对流冲击力，又称触发机制。
对流冲击力有两类：一类是动力产生的冲击力，一类是热力产生的冲击力。
动力性冲击力，是由空气在运动中产生的冲击力。地面低压、切变线等气流辐合区，均可使原静止空气被抬升；冷暖空气交界处，冷空气可将暖空气抬离原平衡位置；山地迎风坡也可抬升迎面而来的空气。
热力性冲击力，由局地受热不均产生。局地受热多的空气，温度较高，所受浮力大于冲力，可离开原静止位置上升。
3.2.4系统性垂直运动
大范围空气有规则上升和下沉的运动称系统性垂直运动。系统性垂直运动的升速较小，为1～10厘米/秒，水平范围几百至几千千米，生命史十几小时至一天。
系统性垂直运动出现在大气水平气流的辐合、辐散区，冷暖空气交界区，山地应风坡。
大气是连续性流体，当空气发生水平辐合运动时，位于辐合气流中的空气必然受到侧向的挤压，便从上侧面或下侧面产生上升或下降气流。同理，当空气向四周辐散时，在垂直方向上也会产生下沉或上升气流以补偿气流的辐散。在地面，低压区、风向辐合（风向相对）区、风速辐合（风速由大转小）区为气流辐合区，引起上升运动；高压区、风向辐散（风向相反）区、风速辐散（风速由小转大）区为气流辐散区，引起下沉运动。
冷暖空气相遇时，由于冷空气密度大，将钻入暖空气底部，抬升暖空气，暖空气将沿冷空气向上倾斜爬升。
气流受山坡阻挡时，将被迫沿山坡爬升。
系统性上升运动区，将产生大范围的云雨天气。
3.2.5气流波动
两种密度不同的空气发生相对运动时，在其界面上会产生气流波动。这种波动常出现在等温层（气温随高度不变）和逆温层（气温随高度增加）界面上。
等温层和逆温层中水平气流受到扰动（动力产生的外力作用）上升时，受稳定层遏制，在重力作用下被迫下降。降至平衡位置时，由于运动物体的惯性，并不立即停止下沉，而是继续下沉。下沉中继续受到稳定气层的遏制，又被迫上升。气流一方面水平向前运动，一方面上升后又下沉、下沉后又上升，于是形成波动气流。由于这种波动气流与重力和惯性有关，故称惯性重力波。
气流越山时，若气层稳定，翻山气流可在山顶和背风坡上空产生波动气流。因这种波动气流与地形有关，又称地形波或背风波。
3.2.6乱流
大气中的乱流，指大气中空气微团不规则的运动，又称湍流。
根据乱流形成的原因，可分为热力乱流和动力乱流。
空气受热不均时，较热空气微团将上升，较冷微团将下沉，于是形成热力乱流。
空气水平流速不一致（气象上称气流切变）时，可形成涡旋气流。水平流速不一致时，形成绕垂直轴旋转的涡旋；垂直方向上流速不一致时，形成绕水平轴旋转的涡旋。这种大大小小的涡旋，构成了动力乱流。
大气中的涡旋气流，如同流水中形成的涡旋气流。河水在流动时，如遇障碍物，将在障碍物两侧绕流。由于障碍物的摩擦作用，靠近障碍物的水流速度变小，离障碍物远的水流速度相对较大。这种流速差异，可在障碍物两侧形成涡旋。流速差异越大，越容易形成涡旋。背对水流风向，在障碍物右侧，形成逆时针旋转的涡旋；左侧形成顺时针旋转的涡旋。
气流流经粗糙下垫面时，受地面摩擦力影响，上下层气流存在切变，于是形成绕水平轴旋转的涡旋；气流绕过山体和建筑物时，受山体和建筑物的摩擦影响，存在水平切变，于是形成绕垂直轴旋转的涡旋。摩擦层中，由于下垫面对气流的摩擦作用随高度减小，风速随高度增大，从地面至摩擦层顶均存在气流切变，因此动力乱流充满整个摩擦层。乱流在摩擦层上下间热量、动量、水汽、杂质的交换中，功不可没。
3.3天气系统
全球大气环流具有的纬向带状分布特征，只是在假定地表均匀和无摩擦力作用条件下的理想状态。由于高层大气距离地表较远，因此高层大气的运动基本上呈现了纬向环流的分布特征。但是在对流层的中下层，特别是近地面层，由于地表的不均匀，如地形起伏、水陆分布和城市结构等，会使沿纬圈环流的带状分布特征受到不同程度的破坏，与之相适应的是在全球大气环流基础上产生的各种波动以及闭合或半闭合的扰动系统，在天气学中称为天气系统。
天气系统是引起天气变化和分布的具有典型特征的大气运动系统。各种天气系统都在一定的大气环流和地理环境中形成、发展和演变着，都具有一定的空间尺度和时间尺度，而且各种尺度的系统间相互交织、相互作用，从而造就了地球上千变万化的天气现象。从时间和空间上可以将天气系统分为大尺度、中尺度和小尺度三类。