Les climats des terres polaires varient beaucoup en fonction de leur latitude, de la proximité de la mer, de l’altitude et de la topographie ; malgré tout, ils partagent tous certaines caractéristiques » polaires « . En raison des hautes latitudes, l’énergie solaire est limitée aux mois d’été. Bien qu’elle puisse être considérable, son efficacité à élever les températures de surface est limitée par la forte réflectivité de la neige et de la glace. Ce n’est que dans le bassin polaire central que le rayonnement net annuel tombe en dessous de zéro. En hiver, le refroidissement radiatif à la surface est associé à un froid extrême, mais, à des hauteurs de quelques milliers de pieds au-dessus de la surface, on trouve souvent des températures de 11 à 17 °C (20 à 30 °F) plus élevées. De telles inversions de température se produisent plus de 90 % du temps au milieu de l’hiver dans le nord-ouest de la Sibérie et dans une grande partie du bassin polaire. Elles sont également fréquentes au-dessus de la calotte glaciaire du Groenland et dans les vallées montagneuses abritées du Yukon et de la Yakoutie. La température de surface la plus basse jamais enregistrée en Amérique du Nord a été observée à Snag, au Yukon (-81 °F, -63 °C), et des températures encore plus basses ont été observées en Yakoutie (-90 °F, -68 °C) et au nord du Groenland (-94 °F, -70 °C).
On a eu l’habitude de diviser les climats polaires en deux grands groupes, ceux correspondant au climat des calottes glaciaires, dans lequel aucune température mensuelle moyenne ne dépasse 32 °F (0 °C), et les climats de toundra, avec au moins un mois au-dessus de 32 °F mais aucun mois au-dessus de 50 °F (10 °C). Une division plus satisfaisante consiste à les classer en climats maritimes polaires, situés principalement sur les îles du nord et les côtes adjacentes des océans Atlantique et Pacifique, dans lesquels les températures hivernales sont rarement extrêmement basses et les chutes de neige élevées ; et les climats continentaux polaires, comme dans le nord de l’Alaska, du Canada et de la Sibérie, où les hivers sont intensément froids et les chutes de neige généralement faibles. Le type de climat continental polaire comprend les îles de l’archipel arctique canadien, qui ne sont que légèrement influencées par la mer en hiver en raison de l’épaisse glace de mer ininterrompue. En plus de ces deux climats, il existe des zones de transition plus petites, des zones limitées de climats de « glace », le climat du bassin polaire et, du côté sud de la limite des arbres, les climats subarctiques.
Dans les zones continentales polaires, l’hiver s’installe vers la fin du mois d’août dans l’extrême nord et environ un mois plus tard plus près de la limite des arbres. Les températures continuent de baisser rapidement jusqu’à environ décembre. Janvier, février et début mars présentent des conditions uniformes avec des températures moyennes d’environ -37 °C (-35 °F) dans le centre de l’Arctique sibérien et de -34 à -29 °C (-30 à -20 °F) en Amérique du Nord. Les températures extrêmes les plus basses en hiver se situent entre -54 et -46 °C (-65 et -50 °F). Le refroidissement éolien, une mesure du pouvoir refroidissant de l’atmosphère sur la peau humaine, donne une meilleure indication des basses températures telles qu’elles affectent les humains. Il atteint un maximum au nord de la baie d’Hudson, où des vents forts et persistants du nord-ouest, typiques de l’Arctique oriental canadien, sont combinés à de basses températures de l’air. Cette région est orageuse en hiver, avec des chutes de neige modérément élevées (50 à 100 pouces), des températures qui changent rapidement et même des pluies occasionnelles. Ailleurs, le climat continental hivernal est calme, avec de longues périodes de ciel clair et de faibles chutes de neige. La visibilité peut être faible localement s’il y a des chenaux d’eau ouverts dans la glace de mer, et elle est universellement réduite lorsque le vent souffle de la poudrerie. Les chutes de neige les plus faibles se situent dans les déserts polaires du nord des îles canadiennes et du nord du Groenland, où les précipitations annuelles totales sont fréquemment inférieures à l’équivalent de quatre pouces d’eau.
L’hiver dans l’Arctique maritime (les Aléoutiennes, le sud-ouest côtier du Groenland, l’Islande et l’Arctique européen) est une période de tempête, de vents forts, de fortes précipitations sous forme de neige ou de pluie (cette dernière au niveau de la mer), et de températures modérées. La température moyenne du mois le plus froid est rarement inférieure à 20 °F (-7 °C), et les températures extrêmement basses sont inconnues.
Les températures estivales sont plus uniformes dans l’ensemble de l’Arctique. Sur la marge méridionale, la température moyenne mensuelle atteint 50 °F (10 °C), et dans les situations continentales, de courtes périodes de temps chaud avec des températures dans les 80 F (27-32 °C), un soleil continu et un temps calme ne sont pas rares ; ce temps se termine souvent par des orages. Dans les climats maritimes, le long des côtes et sur les îles du nord, lorsqu’il y a de l’eau libre dans la glace de mer, l’été est relativement frais. Dans le sud, les températures sont d’environ 45 °F (7 °C), diminuant au nord à 40 °F (4 °C) ou moins ; un maximum de 60 °F (16 °C) n’est pratiquement jamais atteint, sauf à la tête des fjords comme dans le sud-ouest du Groenland, où les influences marines sont moins marquées. Le brouillard et les nuages bas sont très répandus dans les zones maritimes, et à cette époque de l’année, ces zones sont les plus nuageuses du monde. Dans les terres qui connaissent des hivers continentaux, les précipitations sont plus importantes pendant les mois d’été ; les pluies légères et les averses de neige sont fréquentes, mais la moyenne des chutes est faible. L’été est partout une période de changements soudains. Un temps calme et clair avec du soleil et des températures d’environ 50 °F (10 °C) sera suivi de vents soudains, provoquant souvent une chute de température de 20 à 30 °F (11 à 17 °C) et accompagnés de nuages et de brouillard.
Les périodes sans gel et de croissance sont relativement courtes dans tout l’Arctique. Dans la plupart des cas, il n’y a pas de véritable période sans gel ; des gelées et un peu de neige ont été enregistrées au cours de chaque mois de l’année. À quelques endroits près de la limite des arbres, notamment dans l’ouest de l’Arctique canadien, la période sans gel peut être la même que dans les parties moins favorables des prairies.
Au sud de la limite des arbres, dans le subarctique, les différences entre les situations continentales (bassin du Mackenzie, intérieur du Yukon, et Alaska et nord-est de la Sibérie) et océaniques (nord du Québec-Labrador, nord de la Scandinavie et nord de la Russie) sont marquées. Un maximum estival de précipitations et des températures estivales élevées fréquentes (juillet signifie plus de 60 °F dans le nord-est de la Sibérie) dans les régions continentales contrastent avec des précipitations plus importantes, souvent avec un maximum automnal, et des températures estivales plus basses dans les régions océaniques.
L’océan polaire central, ainsi que les mers de Beaufort et de Sibérie orientale, ont des hivers comparables à ceux du nord de l’Alaska et du nord-est de la Sibérie. Les conditions sont stables pour des périodes prolongées de faibles vitesses de vent, de ciel dégagé – surtout en bordure de la Sibérie – et de températures allant de -20 à -40 °F (-30 à -40 °C). Des tempêtes occasionnelles provenant des mers de Barents et de Béring peuvent pénétrer dans les secteurs adjacents du bassin polaire et apporter une hausse temporaire de la température accompagnée de neige ou de poudrerie. Il y a une zone négligeable (moins de 1 %) d’eau libre dans le bassin polaire central en hiver ; en avril, les températures de l’air augmentent jusqu’à ce que, en juin, la fonte de la neige et de la glace de mer sous-jacente commence. Les températures estivales moyennes ne parviennent pas à dépasser 1 °C (34 °F) et s’accompagnent d’une couverture nuageuse basse et d’un brouillard presque continus.
Le seul climat glaciaire étendu de l’hémisphère nord se trouve au Groenland. Au sud, le climat de la calotte glaciaire intérieure présente des caractéristiques maritimes avec de fortes précipitations, principalement de la neige provenant de perturbations cycloniques passagères. Au centre et au nord, une situation continentale se développe, et les chutes de neige sont moins importantes. Bien que la température de l’air puisse parfois atteindre 0 °C (32 °F), la température moyenne est beaucoup plus basse que dans le sud. Les vents forts soufflant de la calotte glaciaire sont fréquents dans toutes les parties de l’île.
Les preuves des fluctuations des glaciers suggèrent un changement climatique important dans les latitudes polaires au cours du dernier millénaire. La première moitié du XXe siècle a vu une amélioration climatique dans l’Arctique, avec des températures plus élevées constatées notamment en hiver et surtout autour de la mer de Norvège. En général, l’ampleur du réchauffement augmentait avec la latitude, et au Svalbard, les températures hivernales ont augmenté de 8 °C (14 °F). Les changements climatiques étaient associés à une réduction radicale de la glace de mer autour du Svalbard et au large du sud-ouest du Groenland.
Les oiseaux, les animaux et surtout les poissons sont apparus plus au nord qu’auparavant ; au Groenland, cela a entraîné un changement dans l’économie, car sa dépendance traditionnelle à l’égard des phoques a cédé la place à une dépendance à l’égard de la pêche, en particulier de la morue, qui était pêchée au nord du 70e parallèle.
Au début des années 1940, cependant, il y a eu un ralentissement des températures polaires. Ce refroidissement climatique généralisé s’est poursuivi par intermittence jusqu’au début des années 1970. À cette époque, la glace de mer n’a pas quitté les zones côtières en été dans l’est de l’Arctique canadien pour la première fois de mémoire d’homme. Un renversement de cette tendance a suivi au cours des deux décennies suivantes, les augmentations de température les plus notables se produisant dans les terres situées au nord de l’océan Pacifique et autour des mers de Barents et du Groenland (un changement de +2,7 °F dans les températures annuelles).
La cause sous-jacente de ces changements n’est pas connue, bien qu’ils résultent directement de la pénétration accrue des vents du sud dans les régions polaires.