नई दिल्ली के २४० किमी उत्तर-पूर्व में स्थित काशीपुर उत्तराखण्ड के कुमाऊँ क्षेत्र के दक्षिण पश्चिमी भाग में रामगंगा तथा कोसी (स्थानीय कोशी या कौशिकी नदी) नदियों के अपवाह क्षेत्र के मध्य तराई में स्थित है। नगर के उत्तर में रामनगर का भाभर क्षेत्र पड़ता है, जो इसे शिवालिक पहाड़ियों से अलग करता है, तथा दक्षिण में रुहेलखंड के गांगेय मैदान हैं, जहां दूर तक ऊंची घास के मैदान फैले हैं। ढेला नदी, जो रामगंगा की सहायक नदी है, काशीपुर से होकर बहती है। काशीपुर नगर इसी नाम की एक तहसील का मुख्यालय भी है, जिसके पूर्व में बाजपुर तहसील, पश्चिम में जसपुर तहसील, उत्तर में नैनीताल जनपद की रामनगर तहसील, तथा दक्षिण में उत्तर प्रदेश राज्य का मुरादाबाद जिला है।

काशीपुर नगर का क्षेत्रफल ८.५४६ वर्ग किलोमीटर है। ५ मार्च १८७२ को जब नगर पालिका परिषद काशीपुर की स्थापना हुई थी, तब इसका क्षेत्रफल १.५० वर्ग किलोमीटर था। १९६६ में नगरपालिका की सीमा में विस्तार होने के उपरान्त नगर का क्षेत्रफल २.२५ वर्ग किमी हो गया था, और इसके बाद १३ मार्च १९७६ को नगरपालिका काशीपुर सीमा का विस्तार कर इसका क्षेत्रफल ५.४५६ वर्ग किमी निर्धारित किया गया। ब्रिटिश काल से पहले तराई क्षेत्रों को मानव निवास के लिए अनुपयुक्त माना जाता था क्योंकि निरंतर बरसात यहां कई छिद्रों, तालाबों और दलदलों में जल भर देती थी, जो मच्छरों के लिए उपयुक्त प्रजनन स्थल बनते हुए मलेरिया का कारण बनते थे।

भौगोलिक रूप से काशीपुर कुमाऊँ के तराई क्षेत्र में स्थित है, जो पश्चिम में जसपुर तक तथा पूर्व में रुद्रपुर, किच्छा होते हुए खटीमा तक फैला है। तराई क्षेत्रों की मिट्टियों में चिकनी मिट्टी, छोटे से लेकर मध्यम कणों वाली रेतीली मिट्टी, और कभी-कभार बजरी भी शामिल होती है। हालांकि स्वरूप में रेत पर चिकनी मिट्टी की प्रभुत्व रहता है। ये मिट्टियाँ यहां बहती नदियां अपने साथ भूमि के अंदर से निकालकर लाती हैं, और इस कारण इस क्षेत्र की मिटटी दलदली तथा उपजाऊ है। भारतीय मानक ब्यूरो के अनुसार, यह शहर भूकम्पीय क्षेत्र ४ के अन्तर्गत आता है।

काशीपुर की जलवायु नगर के दक्षिण में स्थित गांगेय मैदानों की तरह ही आर्द्र अर्ध-कटिबन्धीय है; गर्मियों (जून) में औसत दैनिक तापमान ३१.६ डिग्री सेल्सियस (८८.९ डिग्री फारेनहाइट) के आसपास होता है, जबकि सर्दियों (जनवरी) में यह लगभग १४.५ डिग्री सेल्सियस (५८.१ डिग्री फारेनहाइट) तक गिर जाता है। वर्ष भर में औसत तापमान १७.१ डिग्री सेल्सियस तक की भिन्नता प्रदर्शित करता है। सबसे शुष्क और सबसे नम महीनों के बीच वर्षा का अन्तर ३६९ मिमी रहता है। ५ मिमी औसत वर्षा के साथ नवम्बर सबसे शुष्क माह है, जबकि ३७४ मिमी के औसत के साथ जुलाई में सबसे अधिक वर्षा होती है। नगर में मुख्य रूप से तीन ऋतुएं होती हैं; मार्च से जून तक ग्रीष्म ऋतु, जुलाई से नवम्बर तक मानसून; और दिसंबर से फरवरी तक शीत ऋतु। कोपेन जलवायु वर्गीकरण के अनुसार इसका कोड "cwa" है।

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