研究海洋对于更好地了解人类引发的气候变化同样至关重要。世界气候研究计划（WCRP）由WMO、IOC和ISC共同发起，负责协调各项活动，以了解有关海洋和气候的基本问题以及它们之间的相互作用如何导致极端事件。GOOS和WCRP与全球气候观测系统（GCOS）（也由WMO、IOC、UNEP和ISC共同发起）合作，支持对海洋与气候关系的理解。
海洋储存了人类温室气体所捕获的大部分热量，在气候变化的发展过程中发挥着重要作用。海洋还吸收了人类活动排放的一些二氧化碳，导致海水更酸（或更正确地说是碱性降低）。这一现象已经在破坏珊瑚礁和约10亿人赖以生存的珊瑚礁渔业。
WMO负责协调研究海洋和大气如何交换气体和气溶胶的各项工作。WMO还与联合国粮食及农业组织等其他组织合作，支持开展必要的观测，以更好地了解气候变化如何影响海洋生产力和渔业。
WMO与UNEP是政府间气候变化专门委员会（IPCC）的上级组织。IPCC是联合国负责评估气候变化相关科学的机构。2019年发布的IPCC《气候变化中的海洋和冰冻圈特别报告》是一份重要的基准性报告，可提高对全球海洋、天气和气候的了解。
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