高层大气结构是指高层大气特征参量的空间分布。地球大气按其基本特性可分为若干层，但地球大气本身是一个整体，各层是密切相关的，不存在绝对的界限。而且按照不同的特性，可以有不同的分层方法。比较常见的几种分层法是：①根据热状态的特征，大气分为对流层、平流层、中间层、热层和外层（又称外逸层，或逃逸层）；②根据大气成分随高度分布的特征，分为均匀层和非均匀层；③根据大气的电离特征，分为电离层和非电离层。电离层又可细分为 D层、E层和F层。对流层、平流层和臭氧层不属于高层大气的范围，但由于高层大气与它们的特性密切相关，也为了便于对比研究。

对流层是对流运动最显著的大气区域。其范围从地面向上，在极区约10公里，在赤道地区可达15公里或更高。对流层上界称为对流层顶。对流层内气温随高度的增加而下降，平均气温的递减率约为每公里6℃。

平流层是从对流层顶向上至约50公里(称平流层顶)之间的区域。在平流层,气温随高度增加而增加,增温是由于臭氧(O3)吸收太阳近紫外辐射对大气加热的结果。由于O3吸收太阳紫外辐射使大气加热，H2O、CO2、O3的红外辐射冷却使大气降温，两者相互作用所建立的热平衡，决定了平流层内的温度垂直分布情况。平流层内大气的垂直对流很弱，主要是水平气流,其平均速度达120公里/小时，就北半球而言,冬季为西风,夏季盛行东风。

臭氧层是平流层中的一个层次。大气中的氧分子被太阳辐射光化分解后，所产生的氧原子又与周围氧分子结合，生成臭氧。从10公里高度开始，大气中的臭氧含量显著增加，其最大值在20～25公里之间，到50公里高度，臭氧的含量已较少。臭氧是平流层温度分布的决定因素。它对中间层的热状态也有一定的影响。