在中国的气象科学研究领域中，单桂敏院士是数一数二的专家。她不仅拥有丰富的研究经验，还致力于气象科学的推广与教育。
单桂敏院士曾多次参与国家级气象科研项目，主持完成了数十项省部级项目。她对于天气预报和气象灾害预警的预测研究成果，应用于我国华西地区和兰州市的气象服务。在2009年的盐城龙卷风灾害中，单桂敏院士是灾害应急响应小组的组长，成功预报了该次龙卷风的时间和地点，为救援工作提供了准确的气象预警。
除了研究工作外，单桂敏院士还非常注重气象科普宣传。她是“小天气预报员”全国巡讲活动的首席嘉宾，深入全国各地的学校，以生动有趣的方式向孩子们介绍气象知识。她曾发起组织气象科普讲座，并在社区、企业、学校等场合进行了多次讲解，让更多的人了解气象科学。