全球气候观测系统（GCOS）是1992年由
世界气象组织（WMO）、联合国教科文组织政府间海洋委员会（IOC）、国际科学联盟理事会（ICSU）和
联合国环境规划署（UNEP）联合发起的国际协作体系，旨在通过整合卫星、地面、海洋等多源观测技术，系统性收集大气圈、水圈、冰雪圈和生物圈的长时序数据。其核心架构包含气象-气候基础观测系统、
全球海洋观测系统（GOOS）与全球陆地观测系统（GTOS）三大模块，监测范围覆盖50项基本气候变量（ECV）。截至2024年，已建成包含全球探空网、9000余个海洋浮标及10000个陆地观测站的综合网络，数据通过全球通信系统（GTS）实现日均6.2GB的交换量，直接支撑《
联合国气候变化框架公约》实施和气候模型开发。
1992年由四大国际组织共同发起，首次提出基本气候变量标准化概念。1997年中国成立GCOS国家委员会，协调13个部委参与观测计划。2010年更新执行计划，强化对《
气候变化框架公约》的支持。2016年新版实施计划重点增强气候变化适应观测能力。2025年计划完成天气雷达双偏振技术升级与浮标网络扩展。
大气观测网络整合世界天气监测系统（WWW）与全球探空网，通过约900个高空站每日释放
无线电探空仪，测量30公里高度内的温湿度参数。15艘船舶执行海洋高空探测，配合3000架飞机提供中高层大气数据。
海洋观测网络全球海洋观测系统（GOOS）通过3908个漂流浮标构建全球海洋上层（2000米）温盐监测网络。通过自动化船载探测计划（ASAP）填补数据空白，北极冰区浮标网络实现海冰动态追踪。
由世界气候研究计划（WCRP）设立专家小组制定观测标准，WMO信息系统（WIS）协调全球卫星数据共享。阿尔戈计划（Argo）实现海洋浮标数据24小时内全球开放，全球气候观测系统（GCOS）提供基础设施支撑。
支撑区域气候预测模型开发，2025年雷达同化框架将提升季风预报精度。海平面监测数据用于评估
气候变化影响，2016-2024年北极浮标网络累计发送冰盖变化报告。古气候数据重建15万年前大气成分变化序列，支持碳排放趋势研究。