向海保护区具有典型的大陆性季风气候特征，春季多风干旱，夏季温暖，冬季严寒少雪，风沙较多。

一、日照

向海自然保护区全年太阳辐射总量为120.5千卡/平方厘米。其中5、6月份最多，均为14.8千卡/平方厘米，12月份最少，4.0千卡/平方厘米。在植物生长期5-9月，太阳总辐射量为69.1千卡/平方厘米。按照光谱380-710毫微米区间的光合有效辐射占总辐射的0.49计算，全年有效总辐射为59.0千卡/平方厘米。5-9月与日平均气温≥10.0℃期间的光合有效辐射值均为33.9千卡/平方厘米，日平均气温≥0.0℃期间的光合有效辐射值为44.5千卡/平方厘米。

保护区全年平均日照时数2750.5小时，日照百分率为63%。5月份日照时数最多，为269.3小时，日照百分率为59%。12月份日照时数最少，为171.9小时，日照百分率为63%。5-9月份日照时数合计为1268.4小时，占全年的46%。

二、气温

由于全球气候变暖的影响，近年来向海地区的温度也在不断上升。1955-2014年期间，向海保护区的年平均温度为6.0℃，最高年份为7.6℃，最低年份为3.8℃，一月平均温度为-15.3℃，七月平均温度为24.1℃，气温的不断上升逐步加剧了保护区湿地的消亡。
    三、降水量

向海保护区多年平均降水量370.6毫米，根据1955-2014年向海地区气象资料得到年降水量和年蒸发量变化情况，在1995-2008年间，该地区的平均降水量为311.0毫米，比多年平均降水量减少了50毫米，年降水量呈现减少趋势。

降水主要集中在5-9月份，占全年降水量的84%，其次为秋季，占12.2%，春季和冬季降水比较少。就年内水资源分配来说，这种情况就使得向海地区在春季比较干旱，但是春季又是农业用水的高峰期，灌溉用水消耗量大，无形中加剧了向海保护区的干旱情况。同时，该地区降水量的年际变化也比较大，例如通榆站的最大降水量为606.4毫米，而最小降水量只有194.4毫米，相差达3.1倍。

向海自然保护区降水量的分配不均衡在最近几年表现得尤为突出，尤其是1998年之后，逐年的干旱使得原本一些水草丰茂的区域已经变成了干草甸，许多泡沼面积都在不断缩小。

四、蒸发量

向海地区的多年平均蒸发量为1881.8毫米，蒸发量远远大于降水量。蒸发量的年内变化中，以5月的蒸发量为最大，这主要是由于春季升温快，加上大风天气多。每年3-5月是全年蒸发量最大的季节，其蒸发量占了全年蒸发量的32%左右。从全年角度来看，年蒸发量一直呈现出增加的趋势，近几年来蒸发量几乎是降水量的5倍左右，这进一步加剧了向海保护区的干旱。

五、地温

向海保护区地面温度全年平均8.0℃，比年平均气温高。1月平均地温-16.0℃，4月平均地温11.3℃，5月平均地温20.1℃，7月平均地温28.1℃，10月平均地温8.4℃。

5-40厘米浅层地中温度随季节变化较为明显，7月地中温度最高，1月降至最低；80厘米深处地温最高值在8月，为19.9℃，最低值在2月，为-2.9℃；160厘米深处地温最高值在8月，为14.7℃，最低值在3月，为-0.1℃；320厘米深处地温最高值在10月，为11.0℃，最低值在4-5月，为3.4℃。

六、湿度

向海保护区相对湿度年平均为58%，7、8月份平均相对湿度多数﹥70%，3-5月份平均相对湿度多数﹤45%。1-4月，最小相对湿度多次出现过0%。日均相对湿度≥70%的潮湿天数，年均94天；夏季各月日均相对湿度≥70%的潮湿天数，多为10-20天，春季各月日均相对湿度≥70%的潮湿天数，平均不足3天。日均相对湿度≤40%的干燥天数，年均67天；夏季各月日均相对湿度≤40%的干燥天数，一般不足2天，春季各月日均相对湿度≤40%的干燥天数，多为15天左右。

向海自然保护区春季耕作层（5-30厘米深度）土壤含水量，平地一般为15%左右，岗地一般不足9%。

向海保护区因受季风影响，全年盛行南南西和西北西风向的风，年均频率为13%。4-10月份，多偏西南风，11月到翌年3月，多偏西北风。

保护区年平均风速3.7米每秒， 春季风速最大，冬季风速最小。3-5月平均风速为4.6米每秒，其中4-5月平均风速为4.8米每秒，12月到翌年2月平均风速为3.3米每秒。累年各月最大风速多数在20米每秒以上，月最大风速达31米每秒。