相对于在中间层之下的平流层（气温会随高度而增加)，中间层与对流层一样气温会随高度按比例递减。在中间层底部，高浓度的臭氧会吸引紫外线，使平约气温徘徊在-2.5℃左右，甚至会高达0℃左右。但随着高度增加，臭氧浓度会随之减少，所以在中间层顶的平均气温又会降至-92.5℃的低温。因此，通常在中间层顶附近，是大气垂直结构内最低温的部分。中间层的平均气温递减率却比对流层的小，虽有少部分的对流活动发生，但相对较稳定，较少发生高气压、低气压的现象。还因为中间层的大气密度非常低，所以这层的热力构造主要由氧分子把太阳的紫外线吸收进而把大气加热，及二氧化碳放射出红外线而把大气冷却两者的平衡去决定。
在中间层比较有趣的是，夏季会比冬季处于一个气温更低的状态。这是因为冬季时，大气重力波破碎在这一层输送向西的动量，如同施加向西的拖曳力。为了平衡这一拖曳力，大气必须朝极地经向运动获得朝东的地转偏力。这一由夏极地到冬极地的经向运动造成了夏极地的大气上升，绝热膨胀冷却；冬极地的大气则下沉，绝热压缩加热。这一环流对温度的影响超过了太阳辐射加热，因此中间层顶的温度反而是阳光直射的夏极地最冷，无阳光的冬极地最热。(www.xing528.com)
因此，夏季中间层顶的气温可以低至-100℃以下。如此低温之下，像夜光云般的特殊薄云也有可能被观测到。而在中间层顶以上的大气所蕴含的原子和分子因受到太阳的紫外线影响而进行电离，增加了自由电子。这样地大气进行电离的一层称作电离层。
正如前述一样，中间层很少发生高气压/低气压现象。但因为中间层的大气密度非常之小，故像行星波之类的长周期波动，会以一个大的振幅从底层传递上来。根据这样的波动现象，在振幅极端大的地方会形成力学上不稳定的部分。再者，这种波动现象亦同样对其附近的大气循环造成较大影响
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