里海北部位于温带大陆性气候带，而整个里海中部(及南部大部海区)则位于温热带。西南部受副热带气候影响，东海岸以沙漠气候为主，从而造成多变的气候。大气环流冬季以寒冷、明净的亚洲反气旋为主，而在夏季亚速群岛高压分支和南亚低压中心发生影响。狂烈的风暴与北风和东南风有关。 海区纵跨几个不同的气候区。北里海虽属大陆性气候，但变化不剧烈；中里海西部气候温和，而东部则为干燥的沙漠气候；南里海属夏季干燥的亚热带气候。冬季里海的天气不稳定，气温变化较大。平均气温，北部为-8～-10°C，南部为8～10°C。风向多变，而以东和东北风占优势。风力为5.5～10.7米/秒，中部有时可达20.8～28.4米/秒。夏季,海上受高压控制，常有微弱海风向陆吹，天气十分稳定。气温变化不大，最热月平均温度为28～29°C，极端最高气温可达44°C。平均年降水量为200～1700毫米，分布不均,东海岸少，西南海岸多。年蒸发量一般为1000毫米，南里海的东部和阿普舍伦半岛达1400毫米。 夏季气温分布相当均衡－－7～8月间平均气温为24～26℃(75～79 ℉)，在太阳炙烤的东海岸绝对最高温度为44℃(111 ℉)－－但冬季气温北部为-10℃(14 ℉)，南部为10℃(50 ℉)。海上年平均降雨量在200～1,700公厘(8～67寸)之间，东部降雨量最小，西南部降雨量最大。大多降于冬季和春季。海面蒸发量很高，达一年1,000公厘(40寸)。结冰影响里海北部，通常至1月份完全封冻，在很冷的年代，沿西海岸漂浮的冰可南达阿普歇伦半岛地区。
水温
夏季，水面平均温度为24～26℃(75～79 ℉)，南部水温稍暖。然而，冬季温差大，北部为3～7℃(37～45 ℉)，南部为8～10℃(46～50 ℉)。东部沿岸地区深水上涌－－盛行风活动的结果－－也可导致夏季温度明显降低。 水温分布随季节和地区而不同。冬季，表层水温南北差异较大，2月北里海仅0.1～0.5°C，南里海可达8～10°C。夏季，温差较小，一般为24～27°C。水温的垂直分布也随季节而变化。冬季，北里海和中里海，水温几无变化,南里海在50～100米深处有温跃层。夏季，中部的30～50米深处和南部海区，上下层温差较大。
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