1. 昼夜长短变化：北半球昼渐短、夜渐长
秋分是二十四节气中“昼夜均而寒暑平”的节点（太阳直射赤道，全球昼夜等长），但此后太阳直射点持续南移，北半球白昼时间逐渐短于黑夜，直至冬至日达到黑夜最长、白天最短；南半球则相反，昼渐长、夜渐短。
2. 昼夜温差显著加大
随着太阳辐射减弱，地面散失的热量多于吸收的热量，昼夜温差逐渐拉大，幅度普遍超过10℃。民间常用“白露秋分夜，一夜冷一夜”“一场秋雨一场寒”来形容此时气温的快速下降趋势。
3. 气温逐日下降，逐步步入深秋
秋分后，北方冷气团势力增强，大部分地区雨季结束，天气转凉。长江流域及其以北的广大地区日平均气温降至22℃以下，进入气象意义上的秋季。东北地区降温较早，部分年份秋分时节已可见霜；西北高原北部甚至可能出现日更低气温低于0℃的寒冷天气。
4. 降水减少，天气转干燥
秋分后，南下冷空气与衰减的暖湿空气交汇，产生分散性降水，但降水量较夏季明显减少。此时全国大部分地区雨季结束，空气湿度下降，呈现出“凉风习习、碧空万里、风和日丽、秋高气爽”的宜人天气，但南方部分地区（如凉山州）仍可能出现连绵阴雨，对秋收、秋耕造成一定影响。
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