A pesar de que se encuentra en los trópicos, justo al sur del
ecuador, la gama de elevaciones es tal que el Parque presenta climas
alpinos, temperados y subtropicales. Las precipitaciones son
fuertemente influenciadas por efectos orográficos. La región oriental
de la Cordillera es la que recibe las mayores precipitaciones como las
masas de aire húmedo desde la cuenca amazónica suben las estribaciones
andinas. Las precipitaciones medias anuales en Pastaza, inmediatamente
al nor-este del Parque, es de 4827 mm, mientras que Macas, al sur-este,
recibe anualmente 2414 mm. Viceversa, una precipitación anual media de
solamente 633 mm ha sido registrada en Penipe, poco más allá del borde
occidental del Parque. Las variaciones estacionales son más marcadas en
el oeste, con solamente 122 días de lluvia registrados en Riobamba. La
temporada más lluviosa varía de sitio a sitio, pero generalmente es
desde Abril hasta Octubre. Las temperaturas son relativamente
constantes a lo largo del año, aunque existen fuertes variaciones
diarias. La temperatura anual media oriental es de 20° C, siendo 25.4°
C y 16.4° C la temperatura media máxima y mínima, respectivamente. Las
temperaturas máxima y mínima absolutas registradas son 31° C y 10° C,
respectivamente. Temperaturas progresivamente más bajas se registran en
correspondencia de elevaciones más altas y, a las máximas alturas, las
temperaturas están siempre por debajo de 0° C. La linea de nieve
permanente se encuentra alrededor de 4800 m.

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