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保护区地处青藏高原与蒙古高原过渡带、张掖盆地西北端,摆浪河冲积、洪积扇中下部与黑河冲积平原西北部,地形由东南向西北倾斜,总体地势南北高,中间低。黑河流域中段地貌可分为北部合黎山中低山区,中部黑河河谷盆地(平原),南部祁连山及其分支中高山区。保护区地处欧亚大陆腹地,远离海洋,属典型温带大陆性干旱气候。夏季主要受东南太平洋暖湿气流影响,冬季在蒙古、西伯利亚气流控制之下,气候寒冷、干燥。