一直想专门写一篇科普，来讲讲为什么越往高处越冷的问题。不过说细了要涉及到一些专业内容，估计不太容易理解。
有的人曾经回答说是因为高层的空气辐射更厉害，导致温度更冷。下面会提到这种解释存在的问题。
空气是可压缩的。所以空气热胀冷缩的前提是外围保持压力不变。要不然你把一团空气扔到真空里（气压为零），再冷它也缩不起来是吧？理想气体的变化遵循着这样的规律：P＝ρRT/M（R是气体常数，M表示气体平均分子量，对于指定的气体也是常数）。所以对于不漏气的气体过程，基本上都是气压P、密度ρ、温度T在联动。
但大气中，气体的温度、密度、气压通常都是变来变去的，很难保持某一项不变。所以如果大气中两团气体（其实应该称为气块）的温度、密度、气压都不一样，要比较这团气体到底谁应该下沉谁应该上升，怎么比呢？首先我们得把它们通过某种可逆的过程转换到气压相同的状态下，并且这个转换过程要保持它们的冷热属性不变，也就是不能和外界发生热量交换。
其实只要气体的变化过程中不和外界发生热量交换，那么气体的某一种量就是守恒的，气象学中称为“绝热”过程。顾名思义，“绝热”就是要隔绝热量交换。由于热量交换过程相对大气运动（也就是刮风）过程要慢得多，所以气体在大气运动过程基本来不及交换很多热量，可以近似于“绝热”的过程。那判断哪一团气体应该下沉的时候，只要基于这种“绝热”过程来变化到同一气压值下（通常是1000百帕气压值，接近于海平面的气压），就会知道哪个气体冷了哪个气体热了，也就知道哪团气体该降哪团气体该升了。这个过程相当于把气块打包起来（气球也行，塑料袋也行，反正别让它漏气，也别让它跟外界发生热量交换，哪怕它像开水一样烫），然后拉到海平面附近，放在同一气压水平（或者高度）呈现它们的面目（所以喽，我们和别人比较的的时候只和同一维度上的人比，不在同一维度上的就不要去比了。人家虽然傻了点，但是人家帅啊）。事实上，气象学里都是这么干的。
好了，说完这个，大气终究是要“冷”的下沉“热”的上升的。但这个“冷”和“热”是把它们“绝热”地拉回到同一个气压（1000百帕）下进行温度对比得到的概念。这个过程只是我们假想的物理过程，完成这个过程只要一个公式计算就行，并不需要我们真的去这么做。而气块被“绝热”拉到1000百帕气压值下的得到的温度，称为位温。这个位温就相当于一个标签，无论这块气体跑到哪里，升得多高，只要整个过程是绝热的，它的位温值就始终不变（这就是我们前面说的守恒量了）。这也是我们刚才判定气块属性偏热偏冷该升该降的依据。如果说“热空气上升，冷空气下沉”，这里的冷热必须用位温表征才能成立。用位温定义的冷热概念下，上热下冷的空气才是稳定的。也就是说，稳定大气的位温垂直廓线是一条倾斜的线，下边是冷的，上边是热的（见下图，我指的是下半段，那里才是对流层）。所以，只有用位温的垂直变化来分析大气，我们也才能看清本质。
为什么说说必须用位温才能看清本质呢？因为气块在上升过程已经各种变化了啊，气压变小了啊，气体膨胀了啊，对外做功了啊，温度下降了啊，然后大家又迷糊了啊！说好的上升的“热空气”呢？刚才说了，它是因为位温比较“热”才上升。但是，你注意看上图的下半段，其实位温廓线并不怎么斜对吧？也就是整个对流层里各层空气的位温差别并不是很大，或者说这种“偏热”与“偏冷”的属性差别并不会特别大。而“冷”“热”属性这点偏差根本抵不过上升过程导致的温度迅速下降（以温带为例，海平面附近空气与一万米高空空气的位温差大概在40多度左右，也就是说这一万米高空处的空气绝热地拖回地面时，它的温度将比海平面附近的空气温度要多40多度，而在它绝热地回升到一万米高空过程中，温度会下降100度左右）。无论是暖的气块还是冷的气块，绝热上升过程中都会迅速变冷。虽然它冷了，但它也膨胀了，密度变小了。只要它的密度仍比周围同层空气的密度小（或者说它的位温仍比周围环境同层空气的位温高），它就还得升，直到到达和它位温相同的高度，浮力为零，速度达到最大，然后在这一高度附近上下振动，最后停留在这一层，成为这一层的环境空气。所以大家不要被这个气块上升变冷的过程给迷惑了。不是说气块温度变冷了就一定会下沉，因为这并不是一个等压变化的过程。
其实图中位温的廓线在极地和热带地区差别会很大。图中下半段在极地地区会更斜，而在热带地区的话就几乎是垂直的了，气象术语称为中性的大气。这种大气中，不存在谁该上升谁该下沉的问题。为什么会这样呢？因为因冷而下沉的空气，在靠近地表的一层总会被地表加热，越靠近热带地区，地表或者洋面加热越厉害。这些被加热的空气就会上升，形成对流，形成降水。在这些频繁的对流作用下，热量交换变得很频繁。刚才说大气运动是近似“绝热”，就是说会存在少量热量交换。但是再少也经不住频繁啊。所以这种频繁交换就使得热量分布很平均，于是位温的垂直分布就几乎无差别了，本该随高度倾斜的就变成几乎垂直的了。到了温带，这种对流会少一些，热量交换就少一些，所以位温垂直廓线的倾斜状态就改变得少一些。总之，由于对流引起的热量交换的存在，导致对流层的位温垂直变化不会太大。顾名思义，大气对流层的这种位温垂直分布平均状态就这么被大量的对流垫定了。它是是大气对流过程中的近似“绝热”上升引起的降温效果的积淀。所以，从位温来看，高层空气的位温略高；而从实际温度来看，高层空气的气压很低，在“绝热”上升降温和热量交换的双重作用下，温度会很低。
再来说说高处辐射致冷的问题。如果说高层的空气是因为辐射更厉害导致更冷，那么它是没法解释位温为何随高度上升而增加的；它也没法解释为何高层的空气比下层空气冷但却不会下沉。
有些人想着把高空的“冷”空气引下来给城市降温，事实上这些空气如果引得下来只会更热。因为引下来的过程中空气被压缩了，压缩做功产生热量，这些都是中学物理课的内容了。
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上面是原答案。
再补充一点内容。前面提到要想看清空气的冷热本质，需要放到同一气压下。通常在气象上并不需要真地去把高空的空气拉到海平面来测它的温度，只需要用转换方程计算一下就行。对于非气象届的人们，这个过程并不直观，不那么容易理解。事实上现实中是存在这种操作的：当飞机飞到高空时，机舱内的空气是由飞机上的压缩机把外界的空气加压后来提供的（要不然空气太稀薄，普通人会受不了）。这个加压操作时间较短，可以近似于绝热过程。大家有兴趣可以搜一搜，飞机上的空调在高空是制冷还是制热，以及如果没有空调，这些被加压的空气会达到多少度。另外，高空上机舱的气压即使在加压后，仍然是达不到海平面气压的（飞机上发的密封包装的小馒头通常都是胀鼓鼓的）。所以你们查到的加压后无空调温度仍然没有达到位温值。真要加压到海平面气压的程度，温度还可以更高。
