山上气温低于山下主要由两大因素导致：一是海拔升高导致空气稀薄，保温作用减弱；二是高山离地面热源更远，接收的热辐射减少。这种温差现象在气象学中被称为"气温垂直递减率"，通常海拔每升高1000米，气温下降约6℃。

从物理学角度分析，山地气温差异的核心机制与大气密度和热源距离密切相关。空气密度随海拔升高而显著降低，例如在标准大气压下，20℃时空气密度为1.328kg/m³，而-20℃时增至1.395kg/m³。稀薄的空气分子间距增大，导致其储存和传递热量的能力下降，形成类似"保温层变薄"的效应。以青藏高原为例，其平均海拔4000米处的大气密度仅为海平面的60%左右，这使得白天吸收的太阳辐射热量难以保存，夜间散热更快。

地球表面的主要热源并非直接来自太阳辐射，而是地面吸收太阳能后的二次辐射。地面如同持续发热的"火炉"，距离地面越近的空气层获得的热量越多。当海拔上升时，空气团与地面热源的距离增加，接收的长波辐射量呈指数级衰减。实测数据显示，庐山比九江高1132米，1月平均气温低4.4℃，7月低6.9℃，验证了热源距离对温度的关键影响。这种效应在裸露岩石较多的高山更为明显，因为岩石热容量小，无法像植被覆盖的平原那样有效储存热量。

地形特征也加剧了温差现象。山脉的迎风坡气流抬升会引发绝热冷却效应，干燥空气每上升100米温度下降约1℃。例如喜马拉雅山脉南坡，来自印度洋的暖湿气流被迫抬升时，温度急剧下降形成大量降雪。高山地区普遍存在的强风加速了热量散失，像华山山顶风速常达山脚的3倍以上，风寒效应使体感温度更低。夜间还可能出现温度倒置现象：冷空气沿山坡下沉聚集在山谷，而山顶因接触自由大气反而相对温暖，这种"冷湖效应"在四川盆地周边山区尤为典型。

现代气象观测证实，海拔差异造成的温度梯度存在季节变化。冬季由于冷空气活动频繁，每百米温差可达0.5-0.6℃，夏季约0.4-0.5℃。这种差异在南北坡向也有所体现：秦岭北坡年均温度梯度为-0.45℃/百米，南坡达-0.54℃/百米，因为北坡冬季易堆积冷空气。这些数据均表明，山地气温分布是大气物理规律与地理特征共同作用的复杂结果。