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北魏神府二年（公元429年），吐谷浑攻占西秦金城郡，不设郡县，臣服北魏。太延五年（公元439年），碑文占领今兰州地区，初在汉榆中县治设榆中镇，沿治广武郡。太平真君六年（公元445年），置临洮郡，后置子城县，属临洮郡，撤并广武郡的令居、永登、枝阳3县，置广武县，为郡治，撤金城郡及金城、浩亹、允街3县，划金城县地于武始郡勇田县。北魏孝明帝（公元516-528年）时，复置金城郡，领子城、榆中2县，郡治在子城县（在今东岗镇一带），属河州；并永登、令居、枝阳3县为广武县，属广武郡，为郡治，属都州，所辖包括今永登县、天祝县。北周沿袭北魏建制。
隋文帝开皇元年（公元581年），置兰州，以皋兰山为州名，领金城郡，金城郡领子城县。开皇三年（公元583年），因全国州郡多而辖地小，遂废郡存州，省金城、武始、广武三郡并入兰州；废勇田县，在今兰州城区置五泉县；改广武县为邑次县，寻又改为广武县。兰州领子城、五泉、广武、狄道四县，州治子城县。隋代的兰州大致在今兰州市辖境范围内。隋炀帝大业三年（公元607年），改州为郡，兰州改称金城郡，子城县改为金城县，为郡治；广武县先改称允吾县，后又改称会宁县，属武威郡。 [40]
唐高祖武德二年（公元619年），复置兰州，废金城县入五泉县，为州治； [40-41]兰州领五泉、广武、狄道三县。后又改五泉县为金城县。唐玄宗天宝元年（公元742年），改兰州为金城郡，改金城县为五泉县。天宝三载（公元744年），析金城郡狄道县置狄道郡，金城郡领金城、广武二县。唐肃宗乾元元年（公元758年），复改郡为州，金城郡复名兰州。次年，改广武县为金城县。唐代宗广德元年（公元763年），吐蕃占领兰州。吐蕃在河陇地区沿袭唐朝制度，亦设州、县，州设大都督，县设都督，兰州亦当如是。 [41]
五代至北宋初年，吐蕃衰落，吐蕃部落散居在今兰州市。是时，党项族崛起。 [41]北宋景佑三年（公元1036年），党项羌元昊占领兰州，在原广武县境置卓啰和南监军司（在永登县红城镇）。元丰四年（公元1081年），北宋击败西夏，收复兰州，兰州辖龛谷寨（在今榆中县小康营）、东关堡（今东岗镇）、皋兰堡（在西固区关山一带）、阿干堡（今七里河区阿干镇）、西关堡（在今七里河区土门墩西），筑定西城（在今榆中县三角城）、定远城（今榆中县定远镇）。宋徽宗时，在兰州城置兰泉县。北宋时，兰州属熙河兰会路经制使司管辖，所辖城、寨、堡均为军事性质兼管民事，为以军辖民的建制，设震武军（在今永登县连城镇），亦由熙河兰会路经制使司管辖。南宋绍兴元年（公元1131年），女真族金国占领兰州，撤兰泉县入兰州，兰州辖定远县（今榆中县定远镇），龛谷县（今榆中县小康营）、阿干县（今七里河区阿干镇）。金正大三年（公元1226年），置金州，领龛谷、定远2县；州治龛谷县，金兰州、金州先后属临洗府、临洗路管辖。 [36] [41]
元太宗六年（公元1234年），蒙古占领兰州，沿袭金制，置兰州，领阿干县，设司候司；至元七年（公元1270年），阿干县、司候司入兰州，并废兰州堡、寨，龛谷、定远2县入兰州；元代兰州、金州属陕西行省，废卓啰和南监军司，置庄浪州（治今永登县），属甘肃行省。
明太祖洪武二年（公元1369年），徐达率军攻取兰州，降兰州为兰县、金州为金县，属陕西布政使司临洮府。洪武三年（公元1370年），置陕西都司兰州卫，指挥使驻兰县。洪武五年（1372年），改庄浪州为庄浪卫，属陕西行都司。明宪宗成化十三年（公元1479年），升兰县为兰州，兰州辖区包括今城关、七里河、安宁、西固四区和皋兰县及景泰县部分地区。明代降金州为金县时，治所自龛谷移至今榆中县城。建文元年（公元1399年），肃王由甘州（今张掖市）移驻兰县，建肃王府（今省政府驻地），其护卫队甘州中护卫亦移兰州，但卫名未改。
兰州市属温带半干旱气候，其特点是日照充足，光能富裕；气候差异明显；降水量少，地域差异大；灾害性天气多，干旱尤为严重；雨热同季，四季分明， [36]夏无酷暑，冬无严寒。 [11]年平均气温10.9c。 [207]极端最低气温-21.7c（1964年1月27日），极端最高气温39.8c（2000年7月24日）。 [36]年平均日照时数为2374小时无霜期为172天，年平均降水量为300毫米左右。 [207]降雨集中在每年7-9月，8月最多。
兰州市位于华北板块与华南板块碰撞而形成的祁连山—秦岭地缝合线上，晚近时期由于印度板块向欧亚板块的碰撞，受到来自南西—北东方向的压力而处于活动状态。其地质构造类型主要有褶皱构造、断裂构造。 [49]
兰州市的褶皱构造可分为前加里东期和加里东期。比较清楚的前加里东期褶皱有：马衔山倒转复背斜、兴隆山复式向斜、园子—梁坪向斜、黄崖口—石润子倒转背斜、笔架山向斜、黑石川复式背斜、龚家窑复式背斜、十里店复式向斜、高崖向斜、奖俊埠岭单斜构造。兰州市北部边界一带加里东期褶皱表现最清楚，所形成的褶皱规模巨大，呈北西西向，具紧闭的线状对称复式背、向斜构造形态，因受到侵入岩体、断裂构造的破坏和新地层的覆盖，以至形态已不完整。兰州市的断裂构造可分为前加里东期、加里东期、印支期、燕山和喜马拉雅期。其延伸方向，分为北西西组、北西—南北组、北东组；有逆断层、正断层和平移断层。