经统计，位于祁连山北坡的西水地面气象站4～8月份日照时数较长，日照时数差异较小。西水地面气象站日照时数年内变化表现为夏季最大、春秋季次之、冬季最小，日照时数除受可照时间影响外，它还与天气状况有很大的关系，这主要是由于夏季云量增多，降水较多，抵消了纬度的影响，致使4～8月份日照时数无明显差异，甚至4月份比7月份还长；进入冬季以后，虽然可照时间相对缩短，但由于受蒙古高压的控制，气候严寒干燥，多为晴朗低温天气，因而冬季日照时数与夏季日照时数相比变化幅度小。因此，其年内变化又表现出与可照时间变化的不一致性。在北坡形成了比较稳定的温度空间，为林木的更新创造了积极因素。
祁连山区年平均气温都在4℃以下，随着高度的升高气温逐渐降低，递减率为0.58℃/100m。山顶的温度一般低于0℃，常年都有积雪。最冷的1月平均气温低于-11℃，最热的7月平均气温低于15℃，12月至次年3月，祁连山区大部分地区气温都在0℃以下，4～10月最高气温在4～15℃之间。祁连山区平均气温的空间分布形势比较稳定，年际变化很小，气温最低中心常年位于西段海拔较高的托勒山附近，气温的等值线走向与地形廓线基本一致，这说明影响祁连山附近气温分布的主要因素是地形即海拔高度，地理纬度的影响次之。
祁连山区的降水特征与气温不同，不但受海拔高度的影响，而且受所处的纬度、经度，以及地形的坡向和坡度的影响。降水的季节、年际变化都比较大，这主要是由于降水的影响因素较为复杂造成的。祁连山林区是河西走廊降水较多的区域，年降水量在400mm左右，降水变率在0.60左右。降水主要集中在5～9月，占年总量的89.7%。随着海拔升高降雨日增加，降水量增多。在祁连山北坡中部降水量总的变化特征是海拔每升高100米，降水量增加4.3%。随着海拔升高，亦出现了蒸发量减少，相对湿度增加，绝对湿度下降的趋势。海拔在3000m以下，降水递增率呈高峰型；3000～3400m降水递增缓慢；3400～3600m递增又呈高峰型。当海拔超过3600米时，由于接近山顶，风速加大，降水量多为固态，降水量出现下降趋势。试验区相同海拔高度3400m阴坡年均降水量比阳坡高5.21%，阴阳坡降水增减率有明显差异。
祁连山东侧由于受夏季季风的影响降水量最多，如门源站年降水量为519mm，向西北方向逐渐减少，肃北站年降水量只有150mm左右。祁连山区比周围地形较低的地区降水量要多，如托勒站与酒泉站相距不到100KM，但年降水相差200mm。降水量随着高度的递增呈现出“S”型曲线变化的趋势，有一个降水量的“极大高度”和“极小高度”，“极大高度在1800～2800m之间，“极小高度”在2200～3600m之间，一般是祁连山东南部高度较低，向西北逐渐升高。
由于祁连山地处内陆腹地，不但受东南季风输送来的暖湿气流影响，而且还受西风流带来的大西洋冷湿气流的影响，在盛夏期间一定程度上还受到翻越青藏高原的印度洋暖湿气团的影响，水汽来源较为复杂，加上山区夏季对流性降水的影响，使得祁连山降水的年际变化较大。冬季12月～2月降水量较少，月降水量不超过5mm，7月和8月降水量最多，东段月降水量最多可达110mm。
河西走廊西部区主要受西风带系统的影响，降水较少，变率较大。祁连山东部区主要受西南或东南暖湿气流的影响，降水量比较大，变率较小。祁连走廊中部区由于高山的阻挡，西风带系统和东南暖湿气流的影响减小，形成不同于其它区的降水特征。较大量的降水，较大的湿度，为幼树的生长发育提供了充足的水分保障。经西水站测定，降水总的变化特征是海拔每升高100m，年降水量平均递增4.99%。海拔在3000m以下，降水递增率呈高峰型；3000～3400m降水递增缓慢；3400～3600m递增又呈高峰型；当海拔超过3600m时，降水量递增缓慢，山顶处呈下降态势。
祁连山位于青藏、黄土两大高原和蒙新荒漠的交汇处，受青藏高原气候和荒漠气候影响，气温高，冷热剧变，相对湿度低，所以蒸发强烈。经统计，祁连山西水地面气象站多年平均蒸发量为1043.3mm，蒸发年内分配很不均匀，蒸发主要集中在4～9月，占年蒸发量的75.1%，最大月蒸发量出现在6月份，占年蒸发量的14.4%，最小月蒸发量出现在1月份，占年蒸发量的2.4%。