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El clima está condicionado por la topografía. Las masas de aire húmedo del Atlántico tienen muchas dificultades para llegar a la región por encontrarse a sotavento de los vientos dominantes del oeste. El efecto barrera del macizo galaico-leonés y la cordillera Cantábrica impide el paso frecuente de las masas de aire húmedo, mientras que el efecto foehn se muestra muy moderado, a causa de la notable altitud de la región. Por el contrario el efecto barrera sí es apreciable en las vertientes castellanas y leonesas del Sistema Centra y el Ibérico. Los días nublados son muy escasos, aunque hay grandes diferencias entre el valle del Duero y las montañas.
Las precipitaciones presentan un notable gradiente desde el centro del valle del Duero, donde no se alcanzan los 400 mm año, hacia las montañas que se pueden superara los 1.800 mm año. En la mayor parte de la región llueve menos de 600 mm. Este límite se corresponde con las estribaciones interiores de las montañas. A partir de aquí las lluvias se incrementan rápidamente con la altitud. Una de las características más notables, sobre todo en las regiones más secas es la irregularidad interanual. La época más lluviosa del año es la primavera, seguida del otoño. Son las épocas en las que llegan las masas de aire polar marítimo que trae el frente polar. El anticiclón de las Azores predomina en verano. En invierno se instalan sobre la región anticiclones térmicos que provocan tiempo seco soleado y frío, con nieblas persistentes. La lejanía del mar y el efecto barrera de las montañas cantábricas hace que la gota fría apenas tenga incidencia. En las montañas el máximo secundario se traslada del otoño al invierno. Encontramos tres, y hasta cuatro, meses de aridez en la mayor parte de la región. A medida que ascendemos por las montañas los meses de aridez se reducen y en las montañas más altas ya no tenemos meses de aridez, por lo que podemos hablar de clima marítimo de la costa oeste.
Las temperaturas presentan un gradiente muy acusado y con un patrón similar al de las precipitaciones. Descienden desde el valle del Duero hacia las montañas. Las temperaturas medias anuales en el valle del Duero son de más de 10 ºC, mientras que en las montañas descienden hasta los 2 ºC, como en Ávila o Soria. Esto implica que buena parte de las precipitaciones en las montañas se producen en forma de nieve. El mes más frío es enero y el más caluroso agosto. En enero se pueden alcanzar temperaturas bajo 0 ºC en toda la región lo que quiere decir que en toda la región se dan helada seguras. El verano no llega a ser caluroso sino más bien frescos y hasta fríos, lo que no quiere decir que no se den máximas absolutas muy altas. Así pues tenemos inviernos largos y fríos y veranos cortos y frescos y la primavera y el otoño son estaciones breves e irregulares pero muy marcadas.
Con estas características de precipitaciones y temperaturas encontramos en Castilla y León grandes diferencias en el balance hídrico. El centro de la cuenca del valle del Duero es semiárido, ya que se evapora mucha más agua de la que llueve, y seco hasta las regiones montañosas. A partir de aquí el clima comienza a ser húmedo, y en el Picos de Europa llega a ser hiperhúmedo. Esta circunstancia hace que todos los ríos del centro de la comunidad sean alóctonos, cuya alimentación depende de mucho más de las aguas que caen en la cabecera que los aportes recibidos en su curso.
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