冬至是太陽直射南回歸線的時間點，「三九天」指的是冬至之後的第三個九天，一般在三九、四九天的時候是最冷的。
地球繞著太陽公轉，因為地球自轉平面（赤道平面）和公轉平面（黃道平面）存在夾角，既黃赤夾角23°26'，導致太陽在地球上的直射點隨著時間而轉移，形成了四季。
冬至基本在每年公曆的12月22日左右，此時太陽直射南回歸線，北半球的太陽高度達到一年中最小值，所以接受到的太陽輻射量也最低，此時也是一年中白天最短的一天。
地面在白天吸收太陽熱量，到了夜晚向宇宙空間釋放熱量，進入夏天時吸收大於損失，平均溫度升高；進入冬天時損失大於吸收，平均溫度降低。
北半球在冬至時，吸收的熱量無疑是最少的，但是冬至時的溫度一般不是最低，因為在冬至之後的一段時間裡，北半球還會處於損失大於吸收的階段，溫度還會降低。
而且在冬至之後，來自西伯利亞的冷空氣，也將逐漸達到最大值，所以在我國一年中的最冷時候，一般要延遲於冬至一段時間。
雖然太陽直射位置在逐漸往北移動，但是冬至之後的一段時間，移動速度是非常慢的，北半球整體而言處於降溫期，大概在冬至之後第三個九天，既冬至後的第19~27天時，溫度降到了最低，這就是「三九寒天」的原因。
在中國古代，有「數九寒天」的說法，也稱「冬九九」，就是指冬至之後以九天為單位，其中三九和四九是最冷的時候，數到九九八十一天後，基本上春天已經來臨，冬天就過去了。
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