海洋是复杂地球系统科学的一个主要构成部分，与大气、陆地构成相互作用的一个系统，是影响天气和气候变化的重要因子。20世纪80年代以来，随着世界气候研究计划（WCRP）和国际地圈生物圈计划（IGBP）的实施，以及专门的海洋科技计划的发展，海洋科学研究得到了空前发展，取得了前所未有的成就。当前，由IGBP、IHDP（人类活动对全球变化影响研究计划）、WCRP、DIVERSITAS（生物多样性科学综合计划）构成的地球系统科学联盟（ESSP）重新调整了方向：瞄向人类面临的四大问题——食物、水、碳、健康。地球上70%以上的表面被海洋所覆盖，海洋在地球系统的水循环、气候变异、碳循环中具有举足轻重的作用。如何理解海洋在地球系统中的作用以及对人类生存和发展所起的作用，成为至关重要的科学问题。

从20世纪80年代的“热带海洋与全球大气实验计划”（TOGA: 1985-1994年）开始，到“世界大洋环流试验”（WOCE：1990-2002年），再到“气候变异与可预测性研究计划”（CLIVAR：1995-2015年），再到“上层海洋–低层大气研究计划”（SOLAS：2000年开始），对海洋环流以及海洋与大气的相互作用进行了系统的观测和研究，对理解海洋在天气和气候中的作用起到了关键作用。随着研究的深入，开始关注更广阔的领域，如海洋生态系统、海洋生物调查、海岸带中陆海相互作用中的人类活动影响（LOICZ-II）。

2005年 WCRP 适时提出了面向未来10年的新战略框架—— COPES（Climate Observation and Prediction of the Earth System 2005-2015年），即地球系统的协同观测与预报体系。LOICZ（Land-Ocean Interactions in the Coastal Zone）是国际地圈生物圈计划（IGBP）的核心科学计划，设立于1993年。2002年在 IGBP 进入第二阶段后，全球环境变化人文因素计划（IHDP）也加入进来，与IGBP 共同实施了LOICZ-II。SOLAS（Surface Ocean Lower Atmosphere Study）是IGBP 第二阶段的新计划之一，是 IGBP同 SCOR、WCRP 和CACGP（国际大气化学与全球污染委员会）于2000年联合发起的。

海洋生物地球化学和海洋生态系统综合研究计划（Integrated Marine Biogeochemistry and Ecosystem Research, IMBER）是IGBP第二阶段的一项新计划，由IGBP和SCOR于2003年共同发起（原称 OCEANS）。IGBP第二阶段的海洋研究计划将关注以下海洋环境安全问题：海洋系统中对于地球系统运作的关键部分是什么？海洋与地球系统其他组成部分之间的主要反馈是什么？人类社会怎样适应海洋系统的变化？海洋对于全球变化如何进行缓冲，它又是如何触动未来变化的？IMBER 侧重研究与地球系统和全球变化紧密联系的海洋生物地球化学循环和海洋食物网的相互作用，寻求气候和人类驱动的海洋生物地球化学过程对海洋生态系统（结构、功能、多样性、稳定性和生产力）影响的全面了解。1998年10月，SCOR 和 IOC（政府间海洋委员会）联合在丹麦举行了研讨会，培育一项新的国际赤潮研究计划，即“全球有害赤潮生态学与海洋学”（Global Ecology and Oceanography of Harmful Algal Blooms，GEOHAB）研究计划，随后成立GEOHAB科学指导委员会，提出了总体的科学目标：加强赤潮生物学、赤潮化学、赤潮物理学的综合研究，阐明赤潮藻种群动力学机制，提高和改善赤潮的预报能力。

全球海洋观测系统（GOOS）由 IOC（政府间海洋委员会）、WMO（世界气象组织）、UNEP（联合国环境规划署）和ICSU（国际科学联合会）共同发起组织的大型计划，旨在建立一个对海洋变量进行观测、模拟和分析的永久的全球系统，以支持海洋业务服务。GOOS将提供：①海洋现有状态的精确描述；②对未来海洋环境进行持续的预测；③为气候变化预测提供基础数据。1998年，美国和日本等国家推出了一个全球性的海洋观测计划，目的是要借助最新开发的一系列高新海洋技术（如剖面浮标、卫星通信系统和数据处理技术等），建立一个实时、高分辨率的全球海洋中、上层监测系统，以便能快速、准确、大范围地收集全球海洋上层的海水温度和盐度剖面资料，有助于了解大尺度实时海洋的变化，提高气候预报的精度，有效防御全球日益严重的气候灾害（如飓风、龙卷风、台风、冰暴、洪水和干旱等）给人类造成的威胁，ARGO应运而生，即“全球海洋实时观测网”（Array for Real-time Geotropic Oceanography），并成为GCOS（全球气候观测系统）、GOOS（全球海洋观测系统）、CLIVAR（气候变化及可预报性研究）和GODAE（全球海洋资料同化实验）等大型国际观测和研究计划的重要组成部分。

全球海洋碳观测系统（GOCOS）旨在更好地了解海洋碳循环的平均状况、季节到年代际甚至更长时间尺度的变化趋势，以及海洋碳循环与其他碳库，特别是与大气和沿海陆地界面之间的相互作用。通过与GCOS（全球气候观测系统）、GTOS（全球陆地观测系统）的协作，正在制订一个监测全球碳循环的集成战略，并将作为集成的全球观测战略（IGOS）的组成部分。

欧洲海洋局和欧洲科学基金会于2008年10月24日发布欧洲全球海洋观测系统远景报告，对欧洲海洋观测数据网络（European Marine Observation and Data Network，EMODNET）的建立以及未来的发展进行了长期地规划和描述。EMODNET 是对目前欧洲观测系统发展的一个网络，涵盖了欧洲海岸带、大陆架以及周围海盆数据的管理。2004年，英国、德国、法国等国制订了“欧洲海底观测网计划”（European Sea Floor Observatory Network, ESONET），针对从北冰洋到黑海不同海域的科学问题，在大西洋与地中海精选10个海区设站建网，进行长期海底观测。