秋分当日，太阳直射赤道，全球昼夜几乎等长（不考虑大气折射），这是“分”的核心含义。此后，太阳直射点持续南移，北半球白昼时间逐渐缩短、黑夜逐渐延长，至冬至日达到黑夜最长、白昼最短；南半球则相反，昼渐长夜渐短。这种昼夜变化是秋分最显著的天文气候特征。
二、气温变化：逐步降温，昼夜温差拉大
秋分后，北半球获得的太阳辐射显著减少，而地面散失的热量仍多于吸收的热量，气温呈持续下降趋势。昼夜温差加大是此阶段的关键特点，多数地区昼夜温差超过10℃，部分北方地区甚至可达15℃以上，民间“白露秋分夜，一夜冷一夜”“一场秋雨一场寒”的谚语正是对这一现象的生动。随着气温降低，西北高原北部日更低气温可降至0℃以下，出现霜冻；东北、华北等地普遍降至1015℃，进入深秋；南方地区日平均气温也多降至20℃以下，告别炎热。
三、降水特征：总量减少，天气转干燥
秋分时节，全国大部分地区降水明显减少，天气逐渐干燥。北方地区因冷气团控制，降水多在20mm以下，部分地区甚至出现秋旱；南方地区虽仍有降雨，但强度减弱、频率降低，多为小雨或阵雨，降水量一般在4060mm之间。水汽蒸发加快，湖泊、河流水量减少，部分沼泽、水洼开始干涸，形成“水始涸”的物候特征。
四、物候表现：自然界的季节转换信号
秋分对应“三候”：一候雷始收声（古人认为雷因阳气盛而发声，秋分后阴气渐旺，雷声逐渐消失）；二候蛰虫坯户（蛰居的小虫开始用细土封堵洞口，抵御寒气）；三候水始涸（天气干燥，水汽蒸发快，水域面积缩小）。这些物候现象共同标志着自然界从“夏长”向“秋收”过渡，生命活动逐渐进入休养状态。
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