想要弄清楚这种罕见的情况是怎么发生的，我们得先了解海市蜃楼发生的条件，而气温的反常分布，是大多数海市蜃楼必备的气象条件。
海市蜃楼，简称蜃景，蜃景可分“上现蜃景”、“下现蜃景”和“侧现蜃景”。是一种因为光的折射和全反射而形成的自然现象，是地球上物体反射的光经大气折射而形成的虚像。
“下现蜃景”原理图
最简单好记的是：“上现蜃景”一般出现在海上，仙境是正立；“下现蜃景”更容易出现在沙漠，仙境是倒立。此外，沙漠中偶尔也会出现“侧现蜃景”的情况，景物是90°逆转、横倒在地平线上的。
以“下现蜃景”为例，夏季的沙漠烈日当头，沙土被晒得灼热。沙土的比热小，温度上升极快，临近沙土的下层空气温度也随即升高，而上层空气的温度仍然很低，这样就形成了气温的反常分布。由于热胀冷缩，接近沙土的下层热空气密度小而上层冷空气的密度大，这样空气的折射率是下层小而上层大。
当远处较高物体反射出来的光，从上层较密空气进入下层较疏空气时被不断折射，其入射角逐渐增大，增大到等于临界角时发生全反射，这时人要是逆着反射光线看去，就会看到下蜃。
而吐鲁番12月出现下蜃，同样是因为变化幅度较大的气温。当沙漠区域经历一次降温过程后，空气温度会大幅下滑，但冷空气过后，太阳直射会迅速提升沙漠地表的温度。于是，靠近沙漠的近地面空气快速增温，密度减小，而上部气温还没来得及提升，温度差形成、空气密度差也形成，就产生了形成下蜃的气象条件。
