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℃，南部为8～10℃。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，7～8月间平均气温为24～26℃（75～79℉），最热月平均温度为28～29℃，在太阳炙烤的东海岸极端最高气温可达44℃。海上平均年降水量为200～1700毫米，分布不均，东海岸少，西南海岸多。大多降于冬季和春季。海面蒸发量很高，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。
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。
里海水位上升之谜
里海位于欧亚大陆之间，南岸属于伊朗，东、北岸属于哈萨克斯坦、西岸属于俄罗斯。在其西岸有个古老的卡斯比（Caspii）部落，故称共为卡斯比海（Caspii Sea）。由于它僻处内陆，不与大洋相连，故在汉语中称其为里海，就像杭州西湖中的里西湖一样，是根据其地理特征而得名的。里海是世界上最大的咸水湖，它长约1200公里，宽平均为320公里，有伏尔加河、乌拉尔河等大小130多条河的河水流入。
里海因地处欧亚大陆的干燥地带，水的蒸发激烈，海面不断下降，面积不断缩小。据历史记载，1929年时里海的面积为42.2万平方公里；1970年缩小到37.1万平方公里，水位低于大洋平面28.5米，这应该是正常的现象。
但令人惊奇的是，里海的水位是不稳定的，它好像有周期性涨落的奇妙现象。自1830年以来，大约在一个世纪内，里海的水位呈上升趋势；但进入1930年以来，里海的水位又开始下降。为此，前苏联为使里海水位不再下降，曾于70年代末计划将西伯利亚的河水引入里海。
这个“河水逆流计划”受到一些学者的反对，认为这样做会弄乱西伯利亚的中亚的生态系统，结果计划没有实现。但过了20年之后的今天，里海水位不仅没有下降，反而莫名其妙地上升了，而且如何处理因水位上升造成的灾难却成为当务之急。
第二次世界大战后，在里海水位下降时期，其沿海的经济有了很大的发展。例如，巴库的油田开采，斯姆卡托的石油精炼加工，舍甫琴柯包括铀矿开采在内的原子能电站等，都因里海的水位上升而受到影响。
1940年至1976年，是里海水位大幅度下降时期，但到了1978年又开始上升。据1994年11月29日俄罗斯《消息报》称，里海的水位比1929年时高出了2米多，造成里海西北部的阿斯特拉罕州土地被减少十分之一。
阿斯特拉罕州人口大约有100万，其中有90%的居民居住在里海沿岸和伏尔加河三角洲地带。过去里海水位每年仅上升15厘米左右，而在1994年却超过了40厘米，而且事态越来越严重，使该州的许多人成了“水上生活者”，过着《鲁滨逊飘流记》般的生活。
里海水位上升，受影响最大的是东、西、北的俄罗斯地区，当然南岸的伊朗也受到一定的牵连。如位于里海南岸的伊朗拉什特，那儿原是鱼子酱的生产基地，现在由于里海水位上升而被淹没，成了威尼斯式的城市。
那么里海的水位为何上升呢？
据阿斯特拉罕市水文水利研究所所长玛丽娅·米罗耶德娃女士说，里海水位变化的主要原因是气象条件的变化或地壳构造的变动；海陆和大气的相互作用等，但还未作出明确的结论。
里海水位上升至今仍是一个谜。
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