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温泉县是全国唯一以地热资源“温泉”命名的县,因境内有数处著名的温泉而得名。位于新疆维吾尔自治区西北部,天山西段北麓、准噶尔盆地西缘,博尔塔拉河上游,博尔塔拉蒙古自治州最西端,地理位置介于东经79°52′-81°46′,北纬44°40′-45°19′之间,土地总面积5885.5平方公里,其中兵团土地面积499.3平方公里。东邻博乐市,南隔天山支脉别珍套山和察汗乌逊山分水岭与伊犁哈萨克自治州所属的霍城县为邻,西部和北部分别以空郭罗鄂博山和阿拉套山的山脊为界与哈萨克斯坦毗邻。
土地总面积5884平方公里,全县辖3镇、3乡、2场,9个社区、73个农牧村(队),驻有兵团第五师87、88场。全县有可耕地59万亩,草场601万亩,森林151.4万亩。
温泉县属北天山槽褶带的一部分、博尔塔拉断凹西部,县内南、西、北三面环山,地势西高东低,南北两侧向中间倾斜。中间是谷地平原,且谷地平原自西向东逐渐开阔。东西长147.9公里,南北宽70.7公里。县城海拔1359米。全县山地(含丘陵)面积4004.2平方公里,占县域总面积的68%,主要山脉有阿拉套山、别格珍山、鄂托克赛尔山、沙里切库山及汗吉尕山。中部平原以博尔塔拉河为界,北侧为阿拉套山山前洪积平原,全县平原总面积588.1平方公里,11%地形成窄条状低位差耕地的槽行谷。峡谷处多为巨砾石、河漫滩多为卵砾石。
温泉县地处欧亚大陆腹地,中纬度地区,其气候既受温带天气系统的影响,又受北冰洋冷空气团的影响,而且还受南亚副热带气流的影响,属于大陆性中温带半干旱气候,再加上地形、地势的原因,造成了县境内气候不一的现象。气温东高西低,降雨量、日照均西多东少,年日照时数2710-2870小时,年太阳辐射量137.8千卡/平方厘米,全年盛行西风。山地冬暖夏凉,气候特点是四季不分明,平原气候特点是夏热、冬冷、春暖、秋凉,年平均气温4.1℃,最高气温37.2℃,最低气温—35.9℃。全县多年平均无霜期144—166天之间。由于地理条件的差异,降水则呈现出西、北多,东、南少,山地多、平原少的特点,各区域降水量分布不均匀,且差异性悬殊较大,平原地区年平均降水量为190-210毫米,山区的年降水量平均为450毫米左右,全县年均降水量253.9毫米。