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。
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