本县属暖温带温凉气候区，又处于半干旱半湿润向干旱气候的过渡地带，具有典型的大陆性季风气候特征。冬季漫长，寒冷干燥，春季较长，干旱多风，并有寒潮降温天气，夏季短而高温，旱涝相间，秋季温凉湿润，四季气候变化分明。
春季（3～5月），气温回升较慢，每4.7天升温1℃。从0℃升至10℃，一般需近两个月时间，各月之间差异较大。由于南北气流交锋，遇有寒潮侵袭时，气温骤降到0℃以下。日变化尤为显著。日平均气温达10℃左右时，已至4月末，正是春播季节。春季降水量少，易造成春旱，且易出现霜冻灾害。
夏季（6～8月），普遍高温，平均气温近20℃，7月下旬，平均气温21.5℃，为全年高温期，但高温期较短。
秋季（9～11月），降温较快，月平均为7.4℃，平均4.1天降温1℃，9月中旬可降到14℃左右，不利于秋作物的灌浆，易使功能叶早衰减产。冷气团渐入，并日益加强，最低气温可降到-5.7℃以下。9月初霜易出现，使农作物遇冻而减产，9月末始见雪，10月下旬地面开始冻结。
冬季（12～2月），气温均在0℃以下，平均气温为-6.07℃，月较差较大，严寒期（-5℃以下）长达两月之久。
由于地形地貌特点的影响，境内气候差异明显，可分为3个农业气候区：
北部寒冷半干旱宜林秋粮区 包括张渠、杏河、顺宁、纸坊4乡镇和周河乡北部的东、西武沟及冯坡、赵圪一带。本区热量较少，年平均气温7.2℃。少雨干旱，年降水量450～500毫米，且多集中在6～9月。粮食产量低，亩产不上百斤。
中部冷凉宜林可植冬麦区 包括金鼎、吴堡、旦八、双河、侯市5乡镇和周河乡大部，永宁、义正两乡的北部。本区热量适中，年平均气温7.5℃～7.8℃，年降水量480～520毫米，降水利用率高。小麦产量较高，亩产45～56公斤。
南部寒冷易旱林牧区 包括永宁、义正两乡的中南部林区。本区热量适中，年平均气温7.2℃，降水较多，年降水量538毫米。气候温和微润，林副产品丰富，粮食产量稳定。
一、光照
太阳辐射量 全年太阳总辐射量114.3千卡/平方厘米·年，1965年最多为122.4千卡/平方厘米·年，1964年最少为106.8千卡/平方厘米·年，二者相差15.6千卡/平方厘米·年。一年中，6月最多，为14.2千卡/平方厘米·月，12月最少，为6.1千卡/平方厘米·月。在季节分布上，夏季最多，为37.9千卡/平方厘米·季，占年总辐射量的33％；春季为33.9千卡/平方厘米·季，占年总辐射量的30％；秋季为22.6千卡/平方厘米·季，占年总辐射量的20％；冬季最少，为19.9千卡/平方厘米·季，占年总辐射量的17％。
生理辐射量 全年生理辐射量为56.0千卡/平方厘米·年。一年中≥0℃期间的生理辐射为42.7千卡/平方厘米，占全年生理辐射量的76.23％；≥10℃期间的生理辐射量为29.9千卡/平方厘米，占全年生理辐射量的53.39％；≤0℃的生理辐射量为13.3千卡/平方厘米，占23.75％。
日照时数 年平均日照时数为2313.1小时，最多1965年达2691.9小时，最少1964年仅1948.5小时，二者相差743.4小时。全年各月中，6月最多，为246.9小时，变化范围199.2～292.6小时。11月最少，为166.4小时，变化范围为117.2～203.9小时，一日最长日照时数为12.2小时，一月最长日照时数为292.6小时。
二、气温
本县年平均气温7.8℃，最热为7月，平均21.5℃，最冷为1月，平均-7.9℃，年较差为29.4℃。年极端最高气温37.4℃（1973年），年极端最低气温-28℃（1984年）。属延安地区的低温区。历年极端最高气温出现在6～8月，极端最低气温出现在12～2月。由于受地形、地貌和植被等因素的影响，境内各地气温均有差异。各地年平均气温在7.2℃～7.9℃之间，最高值在西南部的义正为7.9℃，最低值在北部靠近吴旗县的薛岔地带，为7.2℃。南北相差0.7℃，东西相差0.6℃。
四季与气温季节变化 习惯上，本县以3～5月为春季，6～8月为夏季，9～11月为秋季，12～2月为冬季。实际上，本县的四季长短并不相等。按张宝堃的分季法，候平均温度≤10℃为冬季，10℃～22℃之间为春、秋季，≥22℃为夏季。志丹的冬季，从10月9日至4月15日共189天；春季，从4月16日至7月16日，共92天；夏季，从7月17日至7月25日，仅有9天；秋季，从7月26日至10月8日，共75天。春温回升较快，各月幅度为6.4℃～7.2℃。夏季升降温平缓，不热而短。秋季降温迅速，各月幅度为6.4℃～7.4℃。冬季极端最高气温21.1℃，最低气温-25.4℃。
各种界限温度 ≥0℃的积温平均为3469.9℃，最多为3650℃（1961年），最少为3296.3℃（1976年）；≥10℃的积温平均为2871℃，最多为3155.6℃（1966年），最少为2516.6℃（1979年）；≥20℃的积温平均为851.2℃，最多为1480.4℃（1975年），最少368.3℃（1980年）。
本县≥0℃之初日为3月11日，终日为11月12日，持续247天，保证率80％的为236天；≥10℃之初日为4月28日，终日为10月2日，持续158天，保证率80％的为152天；≥20℃之初日为6月26日，终日为8月4日，持续40天，保证率80％的为31天。
霜日 初霜日，平均为10月4日，最早为9月15日（1960年），最晚为10月28日（1961年），相差43天。终霜日，平均为5月14日，最早为4月30日（1958年、1969年），最晚为5月29日（1973年、1975年），相差30天。无霜日平均为142天，最长为178天（1983年），最短为117天（1960年），相差59天。霜冻警戒期为5月中旬，且多在黎明前。
三、地温
地面温度 地面温度的变化与气温变化基本一致，本县年平均地面温度10.2℃，历年平均最高地面温度29.3℃，历年平均最低地面温度-0.6℃，历年极端最高地面温度69.8℃（1973年8月3日），历年极端最低地面温度为-31.0℃（1971年1月30日）。
各种不同深度的地温 不同深度的地温变化受气温的影响，但随着深度的增大，影响程度逐渐减小，且温度变化有滞后的特点。本县不同深度的地温变化如下表所示。
冻土深度 本县历年最大冻土深度96厘米（1976年2月）。冻结日期：历年平均为10月24日，最早为9月30日（1970年），最晚为10月30日，相差30天。解冻日期：历年平均为3月2日，最早为2月14日，最晚为3月11日，相差25天。
四、降水
本县自然降水总的特征是：年际变化大，相对变率大，地域分布不均，降水量不足，满足不了农作物生长需要。
降水时间分布 年平均降水量524.5毫米，最多年降水量是1961年，达785.9毫米，最少年降水量是1965年，仅324.4毫米，二者相差461.5毫米，1961年是1965年降水量的2.442倍。从年降水量的演变看，降水的总趋势是由少到多而后又逐渐变少。50年代末的平均降水量为522.5毫米，60年代末平均降水量为570.4毫米，呈增长趋势；70年代为501.7毫米，80年代初为459.5毫米，又呈减少趋势。从四季的降水分布来看，各季降水量很不均匀，起伏性大，转折迅猛。最多是夏季（6～8月），降水量为292.9毫米，占全年降水量的56％，特别是7月降水相当集中，为120.6毫米，占年降水量的23％。其次是秋季（9～11月），降水量为136.4毫米，占年降水量的26％。秋季尤以9月降水居多，为90.7毫米，占年降水量的17％。再次为春季（3～5月），降水量为85.8毫米，占年降水量的16％。最少是冬季（12～2月），降水量为9.4毫米，锐减幅度大，仅占年降水量的2％。
降水地区分布 本县降水量不但在同一地区不同时期内变化较大，而且在同一时期不同地区的自然降水量也差异明显。县境内降水量平均在463.6～537.5毫米之间。年降水量最多的地方在永宁，平均降水量为537.5毫米，最多年为838毫米，最少年336毫米；年降水量最少的地方在顺宁，平均降水量为463.6毫米，最多年为534.8毫米，最少年为280.8毫米，总的趋势是从西北到东南降水量逐渐增多，愈偏北降水量愈少。
各地降水量以季而论，春季降水最多的地方是永宁为97.4毫米，最少的地方是旦八和杏河分别为66.7毫米和66.8毫米。夏季降水量最多的是旦八272.1毫米，最少的是顺宁203.3毫米。秋季最多的是永宁157.2毫米，最少的是杏河119.2毫米，总之，在作物生长期降水量南部多于北部。
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