毛乌素沙漠（纬度37°27′30～39°22′30N，东经107°20～111°30′E，）处于中纬度西风带中，高空终年为西风环流所控制。冬季在蒙古西伯利亚一带形成势力强大的冷高压区，青藏高原的存在和它形成的低温高原中心叠加在蒙古高压之上，都使高压势力得到加强，该冷高压中心经常位于蒙古的西部，毛乌素沙区在此天气系统的控制之下，盛行由大陆吹向海洋的冬季风。这时在地面上蒙古高压控制着整个亚洲大陆，成为干燥寒冷的极地大陆气团源地。
由于西伯利亚高压特别强大，在单一的冷高压控制之下，天气晴朗，再加之毛乌素地势较高，下垫面裸露，多为沙所覆盖，辐射冷却强烈，因而加强了寒冷的高气压，冬季十分严寒而漫长（长达160～170d）。同时，在单一的冷高压控制下，空气比较稳定，很少有水汽输送进来，显得特别干燥，降雪稀少。冬季冷空气活动频繁，沙随大风向偏南方向飞扬。冬季气候特点可归纳为冬长严寒，降雪稀少，气候特别干燥。春季陆地表面受热逐渐增多，西伯利亚高压开始减弱并向西北撤退（但仍为高压性质），北太平洋副热带高压逐渐扩张，海洋气团开始侵入我国东南沿海大陆，但由于毛乌素沙区处在两高压之间的相对气压较低的区域，所以这里南北气流经常耦合，低压不断出现，锋面经常南北移动，天气多变。春季由于气压活动中心位置很不稳定，天气系统频繁过境。锋面过境常伴有偏北大风，为大风最多的季节。由于春季本区温度回升快和多大风，使干燥的地表面更干燥，沙随风飞扬，风沙强烈。夏季大陆强烈增温，印缅低压达最盛，而北太平洋副热带高压也达最强，并向西移到西经150°和北纬40°的海面上，这时我国大部分地区处在印缅低压的东和东偏北部并且在副热带高压的西侧。湿热的海洋气团涌向我国，形成夏季风。只有2～3km厚度的东南季风翻山越岭，到毛乌素沙区时势力已不强盛，沿途水汽消耗甚多。夏季亚欧大陆中心形成的干热的大陆气团也经常东移到此，本区是这两种气团争夺的过渡地带。东南季风到达本区并持续时间长的年份则降水多，反之，热带大陆气团到达本区并持续时间长的年份则干旱异常。夏季的前期，东南季风虽已前锋到此，但不强盛，并时进时退，而本区多处在偏北方向来的变性气团控制之下，故仍然干旱少雨。七月初开始，本区才处在东南季风控制之下，使本区降水显著增加。但降水时间不长，只有两个月左右。一旦西藏高压在本区上空停留时间延长，就会出现严重的夏旱。夏季持续时间很短，只有30～40d左右。秋季与春季相反，地面迅速冷却，印缅低压南退并减至很弱，而西伯利亚高压又逐渐向冬季风过渡。由于下垫面迅速冷却，低层空气很快降温，而高层空气反而比较温暖，形成空气下冷上暖的稳定天气。由于冬季风来势很猛，秋季持续时间比春季短，只有70～80d左右。秋季在东南季风退却之际，我国东南海面上移动性高压又逐渐增加。这种高压常有暖湿的气流吹送到大陆上来，它被北来的冷空气抬升形成部分降水。毛乌素沙漠东南距海洋甚远，中间又有层层山脉和高原相隔，对夏季东南季风的长驱直入有一定阻挡作用，但东南季风仍可影响本区。西北方是亚欧大陆腹地，冬季干燥寒冷空气可以迅速到达本区。这样的地理位置决定了毛乌素沙区具有季风气候的特征。特别在盛夏季节，东南季风对夏季降水仍有决定意义。本区全年的大部分时间为西北季风控制，气候干燥寒冷。
毛乌素沙漠地区位于鄂尔多斯高原的南部，其北部和西北部的鄂尔多斯高原地势较高，对入侵毛乌素沙漠地区的寒潮或冷空气有屏挡作用，同时由于冷空气滞留和积聚而气温较低；毛乌素沙区的中东部地势较低，气流越过高原后的下沉增温作用，使气温有一定程度增高。鄂尔多斯高原对于东南季风前进的阻挡和高原迎东南季风坡的动力抬升致雨作用，使本区降水自东南向西北显著减少。
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