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El Parque Natural es una de las zonas más húmedas de Andalucía y una verdadera isla lluviosa en el contexto de las áreas geográficas que lo rodean, por su elevada altitud media y por la disposición general de sus líneas montañosas, en dirección NE-SO. Los más de 100 kilómetros de alineaciones montañosas del Parque ejercen un rotundo efecto barrera para el avance de los frentes atlánticos, lo que causa un ascenso del aire que propicia el desarrollo de nubes.

Por otra parte, el valle del Segura permite la penetración de perturbaciones de origen mediterráneo, lo que afecta sobre todo al sector nororiental del Parque, produciendo precipitaciones precisamente en épocas del año donde las borrascas atlánticas son menos frecuentes, como el final de la primavera y el comienzo del otoño. Naturalmente, no en todo el Parque se da la misma cantidad de precipitaciones, sino que crecen según aumenta la altitud, y también varían, aunque en menor medida, según la orientación de las vertientes montañosas con respecto al sol o a los vientos.

Pueden apreciarse dos subregiones climáticas en el Parque. Una primera coincidente con el núcleo central montañoso, cuya altitud media está en torno a los 1.200 m, con una precipitación anual que supera los 800 mm (1mm = 1 litro/m2), en cuyo interior sobresalen dos islas pluviométricas que sobrepasan en mucho los 1.000 mm. Y una segunda subregión situada en la periferia, entre los 900 y 500 m de altitud, con precipitaciones entre los 600 y los 800 mm anuales, hallándose una franja con menos de 500 mm en el extremo sur.

Como es propio del clima mediterráneo, el parque sufre una marcada ausencia de precipitaciones durante el verano, aunque la presencia de las masas boscosas, los cursos de agua y su carácter montañoso, ofrecen un verano atemperado. Las precipitaciones suelen ser abundantes durante el otoño y el invierno. En la primavera y especialmente al final del verano, la lluvia descarga a veces con carácter tormentoso, lo que provoca incrementos del caudal de los ríos. De hecho, este parque es el área andaluza que registra más tormentas estivales.

La nieve forma parte de la identidad paisajística de gran parte del parque y de la realidad cotidiana de los habitantes de las zonas altas de la Sierra de Segura durante el invierno. Por encima de los 1.800 m suele nevar entre 20 y 30 días al año, cifra que se reduce de 10 a 20 entre esa cota y la de 1.300 m., y de 3 a 10 días por debajo de esa altitud, que es donde se sitúan la mayoría de las poblaciones. No obstante, los mantos de nieve no suelen ser muy persistentes, excepto, a veces, en los Campos de Hernán Perea y en las más altas cumbres. En estas, pueden permanecer neveros en el mes de mayo.

Las temperaturas disminuyen según aumenta la altitud, salvo en lugares muy encajonados donde pueden producirse fenómenos de inversión térmica en los fondos de valle. La temperatura disminuye unos 0,5-0,6ºC cada 100 m. de incremento de altitud, por lo que, al ser tan accidentado el relieve serrano, se dan grandes contrastes en poca distancia.

Así, en las zonas más occidentales y menos montañosas del noroeste y en el extremo sur del Parque los veranos son más cálidos los veranos y más suaves los inviernos que en las zonas más altas, donde los veranos no son muy calurosos, pero los inviernos pueden llegar a ser bastante severos.

Veamos algunos ejemplos de estos contrastes. Las medias de las mínimas del mes más frío, son de -3,2 ºC en Arroyo Canales (Río Madera) y de 4,9º C en Beas de Segura. Las medias máximas del mes más cálido son de 29,3ºC en Las Acebeas y de 36,4ºC en La Puerta de Segura.

Al factor de la altitud hay que añadirle el de la orientación de las laderas, que en el Parque es muy variable dada su complejidad orográfica, con continuas alternancias de umbrías y solanas, lo que incrementa las variaciones locales de temperaturas y precipitaciones.

En cuanto al periodo de heladas, es mayor a medida que nos desplazamos hacia el este y ascendemos en altitud. Los días anuales libres de heladas no pasan de los 100 en las zonas más montañosas, mientras que rebasan ampliamente los 200 en las zonas bajas.