Les recherches de Raphael portent sur la modélisation du climat mondial et ses variations, en particulier le celui de l'hémisphère sud[3]. Elle étudie les interactions entre l'atmosphère dans cette zone et la glace de mer de la banquise antarctique[4]. La glace de mer de l'Antarctique permet de maintenir l'équilibre des vents, ce qui est l'un des moyens par lequel l'énergie est transportée vers ou hors du continent[5]. Le krill dépend également de la glace de mer, crustacés mangés ensuite par d'autres animaux comme les manchots dont les colonies sont en baisse[5].
Son objectif est de comprendre son rôle dans le changement climatique, la glace de mer de l'hémisphère sud n'ayant pas les mêmes mécanismes que ceux d’Arctique[6]. Elle se concentre sur l'interaction aux échelles saisonnière, interannuelle et décennale[3]. Ses recherches mobilisent des modèles climatiques mondiaux ainsi que des bases de données d'observation à grande échelle, de 1905 à 2020 pour son étude sur la glace de mer[7].
En 2022, elle co-publie un article démontrant que jamais la glace de mer n'avait été d'une aussi faible étendue et que sa fonte a été beaucoup plus rapide qu'habituellement[8],[9]. Les raisons de cette fonte et sa rapidité ne sont pas les mêmes que dans l'hémisphère nord, avec comme hypothèse un vent plus fort qui aurait poussé la glace vers des zones plus chaudes, entraînant sa fonte[10].
The Encyclopedia of Weather and Climate Change: A Complete Visual Guide, livre dont elle est l'une des autrices, reçoit en 2010 le prix du choix de l'Atmospheric Science Librarians International[11]. Il récompense l'effort de synthèse pour introduire le domaine de la météorologie, la question du climat ainsi que le soin apporté à l'iconographie[11],[12].
Marilyn Raphael est l'autrice de plus de 60 publications scientifique dont[17] :
(en) Marilyn N. Raphael, Marika M. Holland, Laura Landrum et William R. Hobbs, « Links between the Amundsen Sea Low and sea ice in the Ross Sea: seasonal and interannual relationships », Climate Dynamics, vol. 52, no 3, , p. 2333–2349 (ISSN1432-0894, DOI10.1007/s00382-018-4258-4, lire en ligne, consulté le )
(en) Marilyn N. Raphael et Will Hobbs, « The influence of the large-scale atmospheric circulation on Antarctic sea ice during ice advance and retreat seasons », Geophysical Research Letters, vol. 41, no 14, , p. 5037–5045 (DOI10.1002/2014GL060365, lire en ligne, consulté le )
Juliane L. Fry, Hans-Friedrich Graf, Richard Grotjahn et Marilyn N. Raphael, The encyclopedia of weather and climate change : a complete visual guide, University of California Press, (ISBN978-0-520-26101-3 et 0-520-26101-1, OCLC519518613, lire en ligne)
(en) M. N. Raphael, « The influence of atmospheric zonal wave three on Antarctic sea ice variability », Journal of Geophysical Research, vol. 112, no D12, , p. D12112 (ISSN0148-0227, DOI10.1029/2006JD007852, lire en ligne, consulté le )
(en) Marilyn N. Raphael et Marika M. Holland, « Twentieth century simulation of the southern hemisphere climate in coupled models. Part 1: large scale circulation variability », Climate Dynamics, vol. 26, nos 2-3, , p. 217–228 (ISSN0930-7575 et 1432-0894, DOI10.1007/s00382-005-0082-8, lire en ligne, consulté le )
(en) Marika M. Holland et Marilyn N. Raphael, « Twentieth century simulation of the southern hemisphere climate in coupled models. Part II: sea ice conditions and variability », Climate Dynamics, vol. 26, nos 2-3, , p. 229–245 (ISSN0930-7575 et 1432-0894, DOI10.1007/s00382-005-0087-3, lire en ligne, consulté le )
(en) M. N. Raphael, « A zonal wave 3 index for the Southern Hemisphere: Zonal Wave 3 Index », Geophysical Research Letters, vol. 31, no 23, (DOI10.1029/2004GL020365, lire en ligne, consulté le )
(en) Marilyn Raphael, « A possible influence of the tropical quasi‐biennial oscillation on the variability of the extratropical circulation in the Southern Hemisphere », Journal of Geophysical Research: Atmospheres, vol. 108, no D22, , p. 2003JD003862 (ISSN0148-0227 et 2156-2202, DOI10.1029/2003JD003862, lire en ligne, consulté le )
↑Raphael, Marilyn N. (1990). Atmospheric circulation and poleward sensible heat flux variations associated with the recent Northern hemisphere warming. Thesis. The Ohio State University.