冷空气自北向南移动的主要原因是高纬度地区与低纬度地区之间的温度差异和气压差。北半球冬季，北极和西伯利亚地区因日照减少形成极寒气团，这些高密度冷空气在气压梯度力作用下向南方较暖的低压区流动，形成典型的自北向南运动路径。

这一现象的形成机制可从以下几个方面深入解析：从热力学角度，西伯利亚作为北半球最大的冷源区，冬季地表辐射冷却强烈，近地层气温可降至零下40至50摄氏度，形成稳定的高密度冷气团。根据理想气体状态方程，低温导致空气密度增大，单位体积空气质量增加，从而在近地面形成高压中心。例如中央气象台观测数据显示，西伯利亚高压中心气压常可达1040百帕以上，显著高于中纬度地区。从流体动力学视角，冷空气遵循从高压向低压流动的基本规律。我国中东部地区冬季受暖湿气流影响常形成相对低压区，与西伯利亚高压形成明显气压梯度。气象卫星云图显示，典型冷空气南下时的气压梯度可达5-10百帕/千公里，这种压力差驱动冷空气呈顺时针旋转方式向南推进。地球自转产生的科里奥利力使北半球运动物体右偏，导致冷空气南下路径呈现西北-东南走向。实测数据表明，影响我国的冷空气约75%源自新地岛以西的寒潮关键区，沿西北路径影响华北后继续向东南方向移动。高空西风急流对冷空气南下具有引导作用。当极涡发生分裂时，500百帕等压面图上表现为槽脊系统，低压槽对应冷空气南下的通道。国家气候中心统计表明，每年11月至次年3月平均有12-15次明显冷空气过程影响我国，其中约30%可达寒潮级别。最后需要说明的是，冷空气南下过程中会与暖空气形成锋面系统，引发降温和降水天气。中国气象局发布的寒潮年鉴记载，强冷空气可使华北地区24小时内降温超过12摄氏度，并伴随6-8级偏北大风。这种南北向的热量交换是地球能量平衡的重要机制，也是中纬度地区冬季天气变化的主导因素。