火焰山位於吐魯番盆地北緣，毗鄰絲綢之路北道，東西全長98公里，南北寬近10公里，平均海拔500米，最高峯海拔851米，是天山山脈的主要支脈之一。造山運動和風蝕雨淋令紅色的山體表面溝壑萬道，遠觀之有如燃燒的烈焰。

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火焰山屬於典型的大陸性乾旱荒漠氣候，不僅地貌奇特，更以其極端惡劣的氣候稱絕全國。一方面，這裡夏季最高氣溫高達47.8℃，地表最高溫度記錄高達83.3℃，全年溫度高於35℃以上的日數則超過一百，堪稱中國「熱極」。另一方面，這裡全年平均降水只有16毫米，個別地方甚至只有5.9毫米，也就是說地表常年看不到雨水，是當之無愧的中國「幹極」。

火焰山之所以如此炎熱與乾燥，都可以歸因於此地獨特的自然地理條件。由於吐魯番盆地身居歐亞大陸腹地，不僅遠離海洋，而且周圍高山阻隔，濕潤氣流難以進來，加之盆地海拔大多低於海平面，其內部的地表溫度和海拔變動極為劇烈，由此產生氣流下沉增溫的「焚風效應」，以上幾點綜合起來，當條件合適時，就會產生非常極端的高溫低濕。

從更大的尺度來看，火焰山其實是天山東部博格達山南坡前山帶一個短小的褶皺，形成於距今約二千萬年的喜馬拉雅造山運動，而此前的吐魯番盆地曾是一片古海。火焰山出露地層以侏羅紀、白堊紀第三紀砂礫巖層褐紅色泥岩為主，由於地層堆積比較水平，加上巖層軟硬相間，在長期的風蝕雨剝作用下，最終順坡形成道道溝壑，又在坡底部出現多邊形龜裂，從而有了這種形似火焰的獨特外觀。

不過，雖然火焰山的氣候極端，卻也並非毫無生機的死亡地帶。由於山體阻擋了地下水的下滲，導致潛水位抬高，使山體北緣有多處泉水溢出，從而滋潤了鄯善、連木沁、蘇巴什等數塊綠洲，也在山腹中造就了多個瓜果飄香的宜人山谷，如桃兒溝、木頭溝、吐峪溝、連木沁溝、蘇伯溝等。

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