海水并非仅仅以海流的形式做横向运动。纵向运动也很剧烈。
在海洋上层，海水密度较小，质量较轻，而下层的海水密度很大，质量较重。海水盐度越高，温度较低，密度就会越大。例如，冬天海水降温，密度就会增大。
纯净水大约在4℃时达到最大密度。而有盐分的海水，最大密度出现在零下2℃时。另外，海水结冰时，盐分被大量排出，周围海水的盐度升高，开始有下沉趋势。但即使如此，其密度还是低于深层海水，因此无法抵达海底。当然海水的“下沉”过程与铁块等的下沉过程是完全不同的。
测定离日本四国南端约400千米处的海洋（北纬29°、东经135°）5000米深处的水温时，首先把浮标与重物用长绳相连，使浮标漂于水面，而重物沉于海底。
然后从海面下0.2米～200米之间，在长绳上拴上12个温度计。
观测开始于4月份，此时从海面至水下120米深处，水温保持在20℃左右。但是，随后表层海水温度开始上升，7月份升至29.5℃，而水下23米处为26℃，114米处却依然保持4月份时的温度（20℃）。
8月份，23米处与34米处温度升至与表层海水相同。这是因为深层海水与表层海水相混合所致。9月份时，把浮标回收重新设置后，温度计的位置有些微小差异，表层海水温度开始下降，而深层海水因与表层海水混合，温度开始上升，最终与表层温度一致。1月份为观测的最后一个月，从表层至140米深的海水上下混合，温度统一在21℃。
夏天的表层海水在冬天会运动到水下140米深处。
正因为海水的下沉，在海洋上层的某个深度海水的温度、密度得以保持不变。
上述数据是黑潮海流的情况，而在亲潮海流中，海水可以下沉至800米左右，但绝对不可能下沉到数千米深的海底。在北太平洋，表层海水盐度较低，密度无法超过下层的高盐度海水，因此无法下沉。
在前面深层海流内容中曾阐述过，全世界范围内海水可以下沉至深层的只有北大西洋。在那里，表层海水可以在约3000米的海底观测到，但因海水下沉的位置和时间很难推测，所以海平面与海底之间的温度混合层很难观测到。
在20世纪60年代，开放式的一次核试验释放出大量的人造放射性物质。1974年前后在北大西洋5000米的深海中，发现了其中一部分放射性物质。直到1990年，北太平洋的1000米深处才出现了放射性物质的反应。这一现象足以说明北大西洋的表层海水可以下沉至深海。而在北大西洋下沉的深层海水在南极海进一步被冷却，从海洋底层运动到全世界的海洋中。