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松花江流域面积辽阔，南北跨度较大，区内地势起伏多变， 因而气候具有显著的区域分异。
流域地处北温带季风气候区，大陆性气候显著，冬季漫长严寒， 夏季短促炎热多雨，春季风大且干旱，秋季降温急骤，常有冻害发生。 年内温差很大，多年平均气温在3°C和5°C之间， 长白山山顶年平均气温一7°C，西南部平均气温较高，大兴安岭较寒冷。
流域年内7月温度最高，日平均值达20~25℃，最高达40℃以上； 1月温度最低，月平均气温-20℃以下，最低气温出现在嫩江右侧扎兰屯附近， 曾达-42.6℃。全境日平均气温>l0°C积温约在2000~3000℃，由南向北递减。 冬季流域各地土壤冻深1.5~5m，最深处达4m。河流10月下旬、11月上旬封冻， 次年4月上中旬解冻，冰厚1~1.5m，封冻天数140~150天。
流域内无霜期100~150天，9月初霜，次年5月终霜，日照时数2400~2800h。 多年平均水面蒸发量500〜850mm。受西伯利亚和贝加尔湖的寒潮侵袭， 并伴有大风，春季风最大且频繁，曾观测到最大风速达40m/S， 全年大风（风速>10m/s）天数约30~60天。
流域内年降水量大体为400~1000mm，多年平均500mm左右， 由东向西递减，跨湿润、半湿润与半干旱3个区。降水年内和年际分配不均， 多出现在夏季7、8月，汛期6〜9月的降水量占全年降水量的60%~80%。 降水年际变化存在有明显的丰枯交替特点，据初步统计分析， 60~80年为大周期，20年左右为小周期。