一、为什么冬至的白天最短
因为太阳是在南北回归线（南北纬23度26分）之间做来回运动的，当南半球是冬季的时候，太阳直射北半球，且慢慢往北回归线移动，而当南半球在冬至这一天的时候，太阳到达北回归线。
此时，可以理解为太阳离南半球最远，也就是接受日照时间短，白天短，此后，太阳从北回归线往南回归线移动，太阳离她们越来越近，日照时间也就越来越长了，所以冬至日那天最短。
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一、冬至日的天文意义
现代天文科学测定，冬至这天，太阳运行至黄经270°（冬至点），太阳直射地面的位置到达一年的最南端，太阳几乎直射南回归线（又称为冬至线），阳光对北半球最为倾斜。因此，冬至日是北半球各地一年中白昼最短，黑夜最长的一日，并且越往北白昼越短，黑夜越长。
在北极圈以北，这一天太阳整日都在地平线之下，成为北半球一年中极夜范围最广的一天。对北半球各地而言，冬至也是全年正午太阳高度最低的一日。
就北京市区来说，冬至这天白昼仅有9小时20分，而正午太阳高度也仅有26°42'。冬至这天，北半球得到的太阳辐射最少，比南半球少了约50%。冬至过后，夜空星象则完全换成冬季星空，并且从今天起开始“进九”。而此时的南半球正值酷热的盛夏。
值得注意的是，在冬至前后，地球位于近日点附近，运行的速度稍快，这造成了在一年中太阳在南半球的时间比在北半球约短8天，因此北半球的冬季比夏季要略微短一些。
二、昼夜变化解释
北至日，太阳直射点移至北回归线，晨昏圈偏离两极，与南、北极圈相切。这时，昼弧与夜弧的分割最为悬殊。如图所示：北半球（太阳直射的半球）各纬度昼最长而夜最短；南半球相反。
北半球的昼长和南半球的夜长，皆随纬度增高而增大。到北极圈内，纬线全线是昼弧，昼长达24小时，“夕阳”连着“朝辉”，终日太阳不落，称为极昼。在南极圈内，纬线全线位于夜半球，24小时漫漫长夜，终日不见太阳，称为极夜。
赤道是唯一保持昼夜等长的地方。从几何上说，赤道和晨昏圈都是地球的大圆；两个大圆相交，必相互等分。
南至日（北半球冬至日），太阳直射点移至南回归线。这时，南北两半球的昼夜长短分布情形，与北至日相反。
参考资料来源：搜狗百科-冬至
参考资料来源：搜狗百科-昼夜变化
二、农历节气中的冬至这天,白昼最短,黑夜最长
1、“九九”过后，春暖花开，每九天算一"九"，所以数到"九九"就是八十一天。
2、实际上，冬至后即开始“数九”暖春的到来需要"九九又一九，耕牛遍地走"整整90天。
3、冬至日，太阳黄经为270°。这一天，阳光几乎直射南回归线，我们北半球白昼最短，黑夜最长，开始进入数九寒天。天文学上规定这一天是北半球冬季的开始。而冬至以后，阳光直射位置逐渐向北移动，北半球的白天就逐渐长了。
4、从冬至逢壬日起，中国即进入了数九寒天。天文专家介绍说，"九九"是我国北方特别是黄河中下游地区更为适用的一种节气。
三、为什么是冬至白天最短
夏至这天，太阳直射北回归线，是北半球一年中白昼最长的一天，四川各地从日出到日没大多为十四小时左右。
夏至这虽然白昼最长，太阳高度角最高，但并不是一年中最热的的时候。因为，近地层的热量，这时还在继续积蓄，并没有达到最多之时。
过了夏至，四川盆地农业生产因农作物生长旺盛，杂草、病虫迅速滋长蔓延而进入田间管理时期，高原牧区则开始了草肥畜旺的黄金季节。这时，盆地西部雨水量显著增加，使入春以来盆地雨量东多西少的分布形势，逐渐转变为西多东少。
如有夏旱，一般这时可望解除。近三十年来，盆地西部6 月下旬出现大范围洪涝的次数虽不多，但程度却比较严重。
因此，要特别注意作好防洪准备。夏至节气是盆地东部全年雨量最多的节气，往后常受副热带高压控制，出现伏旱。
为了增强抗旱能力，夺取农业丰收，在这些地区，抢蓄伏前雨水是一项重要措施。夏至以后地面受热强烈，空气对流旺盛，午后至傍晚常易形成雷阵雨。
这种热雷雨骤来疾去，降雨范围小，人们称为“夏雨隔田坎”。唐代诗人刘禹锡在四川，曾巧妙地借喻这种天气，写出“东边日出西边雨，道是无晴却有晴”的著名诗句。
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