Klimatologen/Klimatologinnen erforschen globale Klima- und Wetterphänomene wie Luft- und Meeresströmungen, Gewitterbildung, Temperaturentwicklung, Niederschlagsmengen, Sturm- und Gewitterbildung, die Zirkulation von Luft- und Meeresströmung, den Anstieg der Meeresspiegel aufgrund der polaren Eisschmelze, den Anstieg des Ozongehalts aufgrund des Ozonlochs und vieles mehr. Im Unterschied zu Meteorolog*innen, die in erster Linie für die (regionale) Wetterbeobachtung und Wetterprognose zuständig sind, sind Klimatolog*innen mit globalen und langfristigen bzw. nachhaltigen Wetter- und Temperaturphänomenen und deren Ursachen befasst. Sie sind vor allem in der Forschung tätig.
Im Rahmen von nationalen und internationalen Forschungsprojekten untersuchen Klimatolog*innen die Ursachen von klimatischen Veränderungen wie Erderwärmung ("Treibhauseffekt"), Polarschmelze und Ozonloch durch verschiedene Verursacher wie Industrie, Verkehr, Haushalte, Landwirtschaft usw. Sie messen und beobachten den Meeresspiegel von Ozeanen sowie den Verlauf der Meeresströmungen da sich diese fundamental auf die globale Wetterentwicklung auswirken. Mit der Erwärmung der Ozeane hat sich auch der Verlauf der Meeresströmungen (z. B. des Golfstroms) verändert, was mitunter zur Vermehrung von Stürmen geführt hat.
Ziel der Untersuchungen ist es, die klimatologischen Phänomene zu erklären und die Klimaentwicklung zu prognostizieren (in Form von Klimamodellen und Klimasimulationen). Wichtig ist für Klimaforscher*innen vor allem zu klären, in welchem Ausmaß der Mensch bestimmte Klimaentwicklungen verursacht oder beeinflusst hat und für diese verantwortlich zeichnet. Die Klimaforschung ist sehr datenintensiv, für die computergestützte Modellierung und Prognose werden Daten in einem ungeheuer großen Ausmaß gesammelt und verarbeitet (Stichwort: Big Data). Für die Gewinnung dieser Daten kommen verschiedene Geräte wie z. B. digitale Luftdruckmesser, Niederschlagsmesser, Spectrometer und Wettersatelliten zum Einsatz.
Auf der Grundlage ihrer Forschungsergebnisse und Erkenntnisse entwickeln Klimaforscher*innen Vorschläge, Leitfäden und Programme zum Klima- und Umweltschutz. Sie formulieren Grenzwerte (z.B. für Ozon- und CO2-Gehalt) und beraten Umweltbehörden, Ministerien, politische Organisation und Interessenverbände.
