从天文角度看，秋分当天太阳直射赤道，此后直射点持续南移，北半球获得的太阳辐射日益减少。这一变化直接导致地面热量收支失衡，白天升温幅度减弱，夜间散热加快，昼夜温差逐渐拉大。北方地区因距离冷空气源地较近，率先感受到凉意，东北、华北等地在秋分后常出现10℃以下的夜间低温，早晚需添衣物保暖。
然而，南方的"秋老虎"往往是秋分时节的特殊气候现象。长江中下游及华南地区由于副热带高压仍有残余势力，可能出现连续35℃以上的高温天气。这种短期回热现象虽打破"秋分即凉"的刻板印象，但持续时间通常不超过一周，随后便会迎来明显降温。
从气象数据来看，秋分期间全国平均气温较白露下降2-4℃，北方降温幅度普遍大于南方。例如哈尔滨秋分后的平均气温约12℃，而广州仍维持在25℃左右。但值得意的是，冷空气南下时可能造成单日气温骤降8-10℃，这种"断崖式"降温在秋分后会逐渐增多。
湿度变化也是体感凉爽的重要因素。秋分后我国北方降水明显减少，空气湿度降低，"秋高气爽"的天气特征逐渐显现。而南方虽然湿度仍较高，但昼夜温差的增大使得夜间体感温度显著下降，形成"早晚凉、中午热"的典型秋季特征。
总体而言，秋分是我国气候由热转凉的关键节点，北方地区通常会迎来实质性降温，南方则需经历短暂的"拉锯战"后才进入真正凉爽的秋季。这种时空差异既与纬度位置相关，也受地形、大气环流等多重因素影响，体现了我国气候的复杂性与多样性。