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海口市位于北纬19°32′~ 20°05′，东经110°10′ ~ 110°41′。地处海南岛北部，北濒琼州海峡，隔18海里与广东省海安镇相望。东与文昌市相邻，南与文昌市、定安县接壤，西邻澄迈县。东起大致坡镇老村，西至西秀镇拔南村，两端相距60.6公里；南起大坡镇五车上村，北至大海，两端相距62.5公里。全市土地面积2304.84平方公里。
海口市地形略呈长心形，地势平缓。海南岛最长的河流--南渡江从海口市中部穿过。西北部和东南部较高，中部南渡江沿岸低平，北部多为沿海小平原。全市除石山镇境内的马鞍岭（海拔222.2米）、旧州镇境内的旧州岭（199.9米）、甲子镇境内的日晒岭(171米)、永兴镇境内的雷虎岭(168.3米)等38个山丘较高外，绝大部分为海拔100米以下的台地和平原。马鞍岭为全市最高点。地表主要为第四纪基性火山岩和第四系松散沉积物，呈较大面积分布，滨海以滨海台阶式地貌为主，西部以典型的火山地貌为主。全市地貌基本分为北部滨海平原区，中部沿江阶地区，东部、南部台地区，西部熔岩台地区。
海口市地处低纬度热带北缘，属于热带海洋气候。春季温暖少雨多旱,夏季高温多雨,秋季湿凉多台风暴雨,冬季干旱时有冷气流侵袭带有阵寒。全年日照时间长，辐射能量大，年平均日照时数2000小时以上，太阳辐射量可达11～12万卡；年平均气温23.8℃，最高平均气温28℃左右，最低平均气温18℃左右；年平均降水量1664毫米，平均日降雨量在0.1毫米以上雨日150天以上；年平均蒸发量1834毫米，平均相对湿度85%。常年以东北风和东南风为主，年平均风速3.4米/秒海口市现有陆地面积2304.84平方公里。其中，农业用地1756平方公里，建设用地363平方公里，未利用土地153平方公里。农业用地中，耕地面积7.9万公顷，含水旱田4.1万公顷，旱地3.8万公顷；林地面积3.4万公顷；可开发利用的滩涂面积0.2万公顷、山塘水库0.42万公顷。主要土壤类型有水稻土、砖红壤、菜园土、潮沙泥土、滨海盐渍沼泽土、滨海盐土、滨海沙土7个土类，12亚类，29个土属，54个土种。
海南岛最长的河流南渡江穿过海口市中部而入海。南渡江主流在市区长75公里，流域面积1300平方公里，年径流量60.99亿立方米。南渡江流经市区的支流水系有鸭程溪、昌旺溪、三十六曲溪、铁炉溪。境内还有演州河、演丰河、白石溪、罗雅河、美舍河、五源河、芙蓉河等小河流。有凤谭、铁炉、东湖、风圮、云龙、丁荣、岭北、玉凤、沙坡等水库，总库容量15000多万立方米。海口市地处南渡江下游河口河网地带和休眠火山口地带，潜水、承压水分布广泛。潜水含水层以南渡江三角洲潜水和玄武岩孔隙裂隙潜水为主，分布范围分别约800、400平方公里，水位单位涌水量分别可达14.6升/秒、30升/秒。地下承压水处于雷琼盆地，含水总厚度达200米～350米，老海口、秀英两段可采量共27万立方米/昼夜。地下热矿泉水处于琼北自流水盆地东北部新生代厚层，分布面积约200平方公里。
海口市北面临海，海域面积830平方公里，海岸线长131公里。海水平均水温25℃，最高34 ℃，最低17.2℃。透明度1米，最大达2米。浅海盐度29.6%～31.8%。大部分海底平缓，以软泥为主，泥沙次之；靠近沙滩海岸一带海底以细沙为主。近海水质富含有机物质和无机盐。60米～100米等深线以内的海域面积约200平方公里，10米等深线以内的浅海、滩涂面积上百平方公里。大部分海岸坡度平缓，岸线开阔连绵，沙岸带沙细洁白，有热带海洋世界、假日海滩、西秀海滩、粤海铁路通道南站码头海滩、白沙门海滩、东寨港海滨海滩、桂林洋海滩等海滨风景区和游乐区。港湾与近海还有少许岛礁和潮滩。近海海水清澈，常年风轻浪平，有多处较为适宜游泳的傍岸泳区。
海口市植被以灌木草丛为主。天然植被主要为南方热带地区常见的野生灌木草丛植物种群。主要植被包括分布于东北部沿海一带的滨海红树林群落，主要有红树、海蓬、木榄、红海榄等；分布于东南部的稀树灌木群落，主要有沙萝树、榕树、海棠树、荔枝树等；分布于东部和西南部的稀树草原群落，主要有草根草、竹根草、桔子草、竹节草等；分布于南渡江以东、三门坡以北的稀灌木草原群落，主要有白茅、竹节草，伴生蜈蚣草、鸭脚草等；分布于西部羊山地区的杂木林群落，主要有重阳木、苦楝、五叶牡荆等，以及分布于北部沿海的热带滨海沙生群落、热带滨海草滩群落。主城区以人工植被为主。人工植被由热带区系植物的各种栽培种组成，如桉树、木麻黄、樟树、相思、棕榈、橡胶、油棕、竹子和花卉等经济林和园林树种，以及龙眼、荔枝、椰子、杨桃、香蕉等热带亚热带果树树种。海口市植物四季常绿，种类繁多。主要的植物种类中，粮油类有水稻、玉米、薯芋、豆类、花生、芝麻等；瓜菜类有各种瓜类、青菜类、茄类、椒类和葱蒜等；水果类有荔枝、龙眼、菠萝、柑桔等；经济作物类有橡胶、椰子、咖啡、甘蔗等；棉麻类有海岛棉、木棉、红麻、剑麻等；竹类有麻竹、黄竹、石竹、金竹等；林木类有木麻黄、桉树、相思树、海棠等；草灌木类有席草、白茅、竹节草、野牡丹等；花草类有茉莉、菊花、杜鹃、大丽等；水生植物类有江篱、马尾藻、水浮莲、红萍等；中草药类有土花椒、黄牛茶、穿破石、鹩哥王等。近年来，随着热带高效农业的发展，海口市引种的植物优良品种不断增多，植物种质不断丰富。主城区椰子树遍布，素有"椰城"的美称。
海口市陆生动物有野生和人工饲养两大类。野生动物中，鸟类有麻雀、大山雀、白眼眶、八哥等140多种；兽类有赤麂、鼠类、野兔等；爬行类有蛇类、龟、鳖、坡马等；昆虫类有蜂类、蚁类、蝴蝶类、蜻蜓等，以及青蛙等两栖动物。人工饲养的动物以禽畜类为主，包括猪、牛、羊、狗、猫、兔、鸡、鸭、鹅、鹌鹑、鸽子等。水生动物中，有马鲛鱼、石斑鱼、带鱼、鲳鱼等100多种海洋鱼类，青鱼、草鱼、罗非鱼等数十种淡水鱼类，对虾、青虾、角虾、青蟹等二三十种虾、蟹类，以及泥蚶、毛蚶、海螺、牡蛎等贝类。近年来，海口市加快"菜篮子"工程建设，大力发展畜牧业，一批优良动物种质资源陆续在海口落户。
海口市现探明的矿产主要有煤、硅藻土、泥碳、粘土、高岭土、铝土矿、矿泉水、地热水、石材和河砂等。煤矿为褐煤，分布在甲子镇的长昌煤矿；石材主要分布在永兴镇一带，以玄武岩为主；矿泉水、地热水主要分布在市区北部及永兴镇的火山口地区；河砂主要分布在南渡江东山镇地段和龙塘镇下游的冲积沙洲。
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