Рассмотренный радиационный баланс подстилающей поверхности характеризует часть лучистой энергии, которая в конечном счете ею приобретается или теряется за определенный промежуток времени. При положительном радиационном балансе подстилающая поверхность поглощает коротковолновую радиацию больше, чем излучает в области длинных волн, и нагревается. Преобладание эффективного излучения над поглощенной радиацией вызывает охлаждение подстилающей поверхности. Как в том, так и в другом случае температура подстилающей поверхности изменяется, что в соответствии с законом сохранения энергии приводит к возникновению физических процессов, под действием которых происходит теплообмен между атмосферой и другими звеньями климатической системы, а также между подстилающей поверхностью и более глубокими слоями суши и океана. Физические механизмы теплообмена можно представить уравнением теплового (энергетического) баланса подстилающей поверхности:

где B – радиационный баланс; LE – поток тепла, связанный с фазовыми преобразованиями воды; P – турбулентный теплообмен; А – поток тепла между поверхностью и нижележащими слоями почвы или воды. Уравнение (3) означает, что радиационный баланс компенсируется потерей тепла на испарение (притоком тепла конденсации), турбулентным потоком тепла и переносом тепла в нижележащие слои суши и океана. В соответствии с приходом и расходом тепла по отношению к подстилающей поверхности составляющие теплового баланса могут иметь положительные или отрицательные значения.

В некоторых случаях уравнение теплового баланса может быть представлено в сокращенном виде. Так, в многолетнем выводе средняя годовая температура верхних слоев почвы и воды Мирового океана считается постоянной. Поэтому вертикальный и горизонтальный теплообмен в почве и Мировом океане (А) в целом  практически можно приравнять к 0. Следовательно, уравнение теплового баланса будет иметь вид: B=LE+P. Таким образом, в многолетнем выводе годовой тепловой баланс для поверхности суши и Мирового океана складывается из радиационного баланса, затрат тепла на испарение и  турбулентного теплообмена между подстилающей поверхностью и атмосферой. А для пустыни, где испарение близко к 0, уравнение теплового баланса подстилающей поверхности в годовом выводе может быть представлено в форме: B=P.

Рассмотрим подробнее каждую из составляющих теплового баланса.