在冬至时期,白天最短,太阳直射角度与地面夹角最小,单位面积的地面受到的日照强度最小,因此地面每天得到的太阳热量最少,地面日热量收支逆差尚未达到最大值。而冬至以后,虽然白天日趋增长,但增长的速度却很缓慢,从冬至到“三九”这一时期,平均每天只增长约一分钟,同时,太阳直射角度与地面夹角增加也很缓慢。地面日热量收支仍处在逆差状况,所以继续失去热量,地温继续下降。地面总热量收支逆差在“三九”时节才达到最大值。由于空气的温度主要受地温影响,这就导致了“三九”时节气温最低(并非全国如此,年年如此,具体因地域、因年岁而异)。另外,“三九”前后,西伯利亚地区的冷气团也发展到极为强盛的阶段,强冷空气的频频入侵也是造成气温低的原因之一。
冬季最寒冷的一段时间一般是出现在冬至之后。立冬后,表示进入了冬季,并不是进入冬季就意味着开始寒冷,因此时地表在下半年贮存的热量还有一定的能量,所以还不很冷。在民间有“十月小阳春”一说,“十月小阳春”即是指在孟冬期间出现的风和日丽、温暖舒适“小阳春”天气,所以,实际上初冬(孟冬)这时期一般不会很冷,但随着时间推移,冷空气频繁南下,气温逐渐下降。在冬天季节,所谓“冷在三九”,冬至之前通常不会很冷,真正严寒是在冬至之后,尤其是“三九天”、“四九天”。