海市蜃楼主要出现在热带和温带气候带，尤其是沙漠和沿海地区。这些地区具备形成强烈温度梯度的气候条件，使得空气密度在垂直方向上产生显著差异，从而引发光线的异常折射和全反射现象。

从气象学角度分析，海市蜃楼的形成需要三个关键气候条件：首先是强烈的太阳辐射，这在地球的热带和部分温带地区最为常见；其次是地表与上层大气之间存在显著的温度差；最后是需要相对稳定的空气流动状态。热带沙漠地区白天地表温度可高达50-60℃，而数米高的空气温度可能骤降至30℃左右，这种每米2-5℃的温度梯度远超正常大气每百米1℃的垂直梯度，为蜃景的形成创造了理想条件。沿海地区则由于海水与陆地比热容的差异，在春夏季节容易形成近海面空气冷、上层空气暖的逆温层结构。我国蓬莱海域的蜃景就多发生在5-6月，此时海水温度回升较慢，而空气受太阳辐射迅速升温，形成了完美的折射界面。美国阿拉斯加等温带沿海地区也因类似的海洋性气候特征，在6月下旬常出现重复性的蜃景现象。值得注意的是，蜃景的出现往往与特定季节和天气过程相关。研究表明，蜃景发生前一天通常会有降水降温过程，这进一步增大了次日地表与空气的温度对比。从气候类型来看，地中海气候、热带沙漠气候和部分温带季风气候区最易出现这一现象，因为这些气候带既具备充足的日照条件，又能形成必要的温度梯度。现代气象观测证实，当近地面气温梯度达到每米4-5℃时，光线会弯曲成明显的凹形轨迹，使远处景物呈现悬浮或倒置的幻象，这正是气候带特征直接影响蜃景形成的物理证据。