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区域气候主要由太阳辐射、大气环流和下垫面三大因素的影响而形成。大气环流是其中最复杂的因子。
东北地区大气环流总体特点是：位于极地高压和副热带高压之间的相对低压带内，全年盛行西风环流，低压带中槽脊活动频繁，冷空气活跃，具有更为显著的西风带气候特点。
冬季，对流层下层蒙古高压—西伯利亚高压处于强盛时期，东北地区位于高压的东部。高空西风环流分为南北两支，东北地区接近于北支急流并处于平均脊的前部。地面和高空均盛行偏北气流，由于气流来自高纬和大陆内部，使该地区冬季气温较低，空气干燥，降水较少。
春季，随着太阳直射点的北移，太阳高度角不断增大，地面得到的太阳辐射增加，陆面升温较快。强大的蒙古—西伯利亚高压势力减弱，逐渐北移并形成两个中心，一个位于蒙古境内，另一个位于黄海海面上，东北地区位于两个高压之间的相对低压区内。高空西风环流强度减弱，东亚平均槽也相应减弱并东移。西风带中常有西来小槽向东传递，引导地面低压系统经由两个高压之间的相对低压区，到我国东北地区发展加深，使低压南部与黄海高压之间气压梯度加大，北部西风频率增加，东南部受黄海高压影响，南风和东风频率得到加强。
夏季，环流形势发生了根本变化。由于陆面的迅速增温，我国广大地区均为热低压所控制。东南沿海地区，西太平洋高压脊西伸北上，北部边缘可达朝鲜半岛。副热带高压西部的东南季风可向北伸至东北内陆。在高空，西风急流北退，锋区明显北移，东亚平均槽明显减弱东移，贝加尔湖以东呈浅槽形势。500hPa上空，副热带高压脊西伸北上，东北地区位于副热带高压脊的北部，贝加尔湖浅槽以东，西来和南来的降水系统可在上述环流引导下影响该地区，约从6月开始进入雨季。随着夏季环流形势的建立，整个区域内的盛行风也发生了根本性变化，偏南风占据优势。由于副热带高压脊的西伸北上，可引导热带气旋北上，使夏季降水更为集中。当有热带气旋侵入本区又同时有冷空气南下时，降水强度可大为增加，进而出现暴雨、大暴雨和大风天气。盛夏时节，雅库次克高压对本地区也有一定影响。当东移的青藏高压与南伸的雅库次克高压结合时，一些年份也可发生持续的干旱天气。
秋季环流形势为夏冬两季环流之间的过度型。对流层下层蒙古高压—西伯利亚高压开始建立，西太平洋高压脊明显南移收缩，北方小股冷空气时而南下，造成本地区风速增加和短时降温。高空环流形势也发生了相应变化，东亚槽西移并加深，东北地区位于东亚槽后部，槽后北风分量加大，为小股冷空气南下提供较好的高空条件。另外，渤海、黄海上常有小型高压停留，高压南部和东部的偏东、偏南气流在与北方新鲜冷空气相遇时，可产生局部降水。
本区位于北半球西风带下，气旋活动频繁。影响本地的气旋主要是东北气旋、贝蒙气旋、黄河气旋和江淮气旋。经本区的各路气旋，有的迅速通过；有的发展成为中心气旋；有的转为冷涡，就地停留以至消亡；有的固囚加深东移出境。从路径来看，东南下的易产生强对流风暴天气，东北上的易带来大范围大量级的降水天气。另外，在本区上空，一年四季均可出现冷性涡旋，但有明显的季节变化，集中出现在夏季，是夏季低温多雨的主要原因。