天山在欧亚大陆中心位置决定了其具有鲜明的大陆性气候,以冬夏气温趋於极端为特征。这一地区特有的干燥在周围的沙漠和乾旱地区显而易见。这一区域吸收大量的太阳热能,每年约有2,500小时的日照时间。随著海拔增加,气候变得较为凉爽和湿润。永久冻土在2,750公尺(9,000尺)以上广泛存在。盛行气团由来自大西洋的带有水气的西风吹送过天山。多数降水落在迎风的西坡和西北坡海拔2,300∼2,750公尺(7,500∼9,000呎)之间的地带;降水量在710∼790公厘(28∼31吋)这一极端与1,499∼2,007公厘(59∼79吋)这一极端之间起伏变化。在天山东段和山内地区,总降水量减少至200∼400公厘(8∼16吋)之间,在有些地方少於100公厘(4吋)。最大降水量在3、4月间落在天山南部,夏季乾旱。在天山西段和北部,雨水多在一年中的温暖时期降下,4月或5月降雨最多。天山腹地和东部地区,雨多在夏季月份降落。由於冬季降雪量小,许多的山谷被用作冬季牧场。
天山气温变化多端,主要取决於海拔。山麓夏季炎热∶费尔干纳盆地7月平均气温可达27℃(81℉);在伊犁盆地可达23℃(73℉),而在东部的吐鲁番盆地可达34℃(93℉),为大陆性气候。在天山腹地海拔约为3,200公尺(10,500呎)的高度,7月气温降至5℃(41℉),终夏都可能有霜。费尔干纳盆地1月平均气温为-4℃(25℉);在伊犁盆地,气温为-10℃(14℉);在天山腹地高山区,气温降至-23℃(-9℉),而在有些地方(特别是在阿克赛〔Aksay〕河谷),创下-50℃(-58℉)的低温。
山地气候年中明显分成冷、暖两季。冷季天气多晴朗,3000米以下的山地、盆地和谷地积雪深厚,且多雾霜。暖季(夏季)海拔3000米以上多雨雪。3000米以下气候凉爽。各地湿度差别受高程控制。在天山山地,特别在天山西段,冬季往往形成明显的逆温层结。逆温产生于10月,消失于翌年4月。以1月份的层结为最大,达3000米左右。
天山山地的年降水量,同一山坡自西到东,逐渐减少;山地迎风坡(北坡)多于背风坡(南坡),山地内部盆地或谷地少于外围山地。位于天山内部的巴音布鲁克海拔2438米,年降水量仅276 2毫米,比同高度的山地少。但地势宽坦,河曲发育,降水集中夏半年,湖沼星罗棋布,水草肥美,成为中国著名草原之一,并且是天山山地唯一有天鹅生栖的地方,现已划为新疆的自然保护区(见尤勒都斯盆地)。
天山北坡的年均降水量多在500毫米以上,是中国干旱区中的湿岛。其中以西段的中山森林带最多,竟达1139.7毫米(1970年记录)。海拔接近海平面的托克逊年降水量最少,只有6.9毫米。降水季节变化很大,最大降水集中在5、6两月,以2月份最少。
天山山地的最大降水带随季节上下迁移。冬季最大降水带在海拔1500~2000米,夏初开始向上迁移,到7、8月份升到海拔5000米的极高山带。此后,又开始回返。至10月份回到冬季原来位置。山地暴雨历时短暂,但强度很大。积雪分布与降水相同。
天山山地为新疆不少大河的源头,如伊犁河与塔里木河等。在不到20万平方公里的山地径流形成区内,有大小河川200多条,年总径流量为436亿立方米,占新疆河川径流总量的52%。引水灌溉遍及新疆57市、县的绿洲农田。按各河出山口以上的集水面积计,年平均径流深271毫米。河流年径流变差系数一般为0.1~0.2,变化相对稳定。年径流变差系数为中国最小地区之一。
(4)冰川活动
天山冰川总面积约为10,101平方公里(3,900平方哩),其中约4/5在吉尔吉斯和哈萨克。几个冰川区中最大的为围绕汗腾格里峰和胜利峰以及奥哈普特山的地区。天山最大的冰川是伊尼尔切克(Inylchek)冰川,长约60公里(37哩);沿汗腾格里峰西坡下降,变为许多分支。在这一地区的其他大冰川包括北伊尼尔切克(39公里〔24哩〕)和在穆查尔特山口的一条冰川(34公里〔21哩〕)。天山别处的最大冰川的长度通常在10∼19公里(6∼12哩)之间;最常见的是较小谷地的冰川,约2.4∼5公里(1.5∼3哩)长。
冰川通常由降雪或周围山坡雪崩供水。天山冰川活动显然在减少;多数冰川不是退缩就是停滞。不过,自20世纪中叶以来,内天山区的大冰川却在短期内有所前进。天山冰川哺育著许多大河,包括纳伦河、萨雷札兹(Sarydzhaz)河、伊犁河、阿克苏河以及泽拉夫尚(Zersavshan)河。
(5)水系
在较低地带的人类干预,已经严重改变整个天山水系网络。山麓谷地广泛的灌溉系统,削减了流往咸海与塔里木盆地的巨大水量。天山东段伊犁河与开都河之最大特色为将水改道以供农业和城市之用。流入旧河道的水微不足道。甚至咸湖伊塞克湖也由於周围人们将河水改道而降低水位。在一些峡谷中建立水电站;纳伦河上的托克托古尔(Toktogul)工程最大。
(6) 动植物
天山生物世界的特点主要是由这一地区不同的海拔带所决定的,这些海拔带提供土壤和植被的多样分布。在山麓丘陵和平原,一般都发育有半沙漠区和沙漠区;这些地区在东段延伸到1,524∼1,829公尺(5,000∼6,000呎)之间的高度。在天山,以夏初即告死亡的短生植被为特点;耐旱草、蒿和沙漠灌木麻黄属植物普遍分布。天山最普通的景观是草原,出现在海拔1,000∼3,350公尺(3,500∼11,000呎)之间。在中国和中亚各共和国,已经采取措施恢复因过牧而减少的辽阔草原地区。
天山森林与草原和草甸交替。森林主要见於北坡和海拔在1,524∼2,987公尺(5,000∼9,800呎)之间的山岭。在外山低坡,森林主要是落叶树种,由枫树和白杨组成,并有广泛的野果树(苹果和杏)混交林。费尔干纳山岭西南坡的广阔地区为古老的坚果森林所占据。
林间空地和上树线毗连的地区通常为草甸植被所覆盖。各种草与谷物混合的次高山草甸在湿润的北坡延伸到几乎3,048公尺(10,000呎)的高度,但在南坡却通常为山地草原所取代。直到3,505公尺(11,500呎)的高度还有高山短草草甸。在天山腹地和东段地区,在海拔3,414∼3,658公尺(11,200∼12,000呎)的地方,有时甚至在更高的地方,平坦的地区和缓坡为「寒冷的沙漠」,只有稀疏矮小的植被。在没有土壤覆盖的冰川带地区,可见苔和地衣。
在大量人口被重新安置到海拔较低的地方后,天山动物和鸟类的种类和范围明显增加了。天山典型的动物种类包括狼、狐和鼬貛。还有许多中亚特有物种,主要栖息在高山之上;包括雪豹、山羊、满洲马鹿、狍和山绵羊。森林-草甸-草原带栖息著熊、野猪、貛、田鼠、跳鼠类动物及与兔子相关的短耳哺乳动物。许多鸟类包括山鹑、鸽、高山红嘴乌鸦、乌鸦、山鶺鴒、红尾鸲、金雕、秃鹫、喜马拉雅雪鸡.
天山山脉降水量多只是个相对的值,是相对于周围的大陆性气候的地域的说,这是非地带性的例子之一,而造成这样的原因主要是来自大西洋的暖湿气流在西风带的影响下深入亚欧大陆,在天山有一个迎风坡的效果。
迎风坡,气团在爬升的过程中逐渐降温,凝结形成降雨,这就是所谓的地形雨。
来自大西洋盛行西风的温暖潮湿气流,并处于山脉迎风坡