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Besonders vom Klimawandel betroffen sind die Sektoren Landwirtschaft, Forstwirtschaft, Fischerei, Wasserwirtschaft, Boden, Biodiversität, Gesundheit, Industrie und Gewerbe, Energie- und Finanzwirtschaft, Verkehr und Infrastruktur und Tourismus. Hier wird erwartet, dass sich die Thüringer Klimaagentur für die Akteure der in Thüringen relevanten Bereiche als Dienstleister und Berater zu den Themen Klimawandel, Klimafolgen und Klimaanpassung etabliert. Derzeit arbeitet die Thüringer Klimaagentur mit folgenden Kooperationspartnern zusammen:
Eine enge fachliche Kooperation existiert seit längerer Zeit mit den verschiedenen Fachbereichen in der TLUG (Wasserwirtschaft, Naturschutz, Bodenschutz) sowie mit den beiden Thüringer Landesanstalten für 
Landwirtschaft Jena und für Wald, Jagd und Fischerei Gotha, u. a. auch im Rahmen der Nutzergruppe zur Interpretation von Klimaprojektionsdaten mit dem interaktiven Diagnose- und Präsentationstool (IDP) Thüringen.
Das Fachgespräch „Klimafolgen“ zielt auf die Kooperation zwischen Landesämtern/-anstalten und dem Umweltbundesamt (UBA) zum Thema Klimawandel und Klimafolgen. Hauptziel ist der inhaltlich-fachliche Informationsaustausch insbesondere zu laufenden Projekten (Klimamodellierung, Darstellung von Klimaszenariendaten, Klimawirkungsforschung, regionale Anpassungsstrategien). Die Koordination erfolgt länderübergreifend durch das UBA.
Unter gegenwärtiger Federführung durch das Land Brandenburg arbeiten Vertreter aller Bundesländer im Bund-Länder-Fachgespräch „Interpretation regionaler Klimamodelldaten“ mit. Besonderer Schwerpunkt ist die Interpretation regionaler Klimamodelldaten und die Erstellung von Leitlinien zur Anwendung.
Der Arbeitskreis „Bioindikation“ soll für alle Bundesländer eine einheitliche Methode der Datenauswahl und der Auswertung bereitstellen, um im Rahmen der biologischen Umweltbeobachtung/–überwachung und Wirkungsermittlung mit gleichem Zeithorizont Phänologiedaten auswerten zu können.
Von Seiten der Länder Sachsen (über LfULG) und Sachsen-Anhalt (über LAU) gibt es Kooperationsangebote zur „Klimadatenauswertung hinsichtlich Entwicklungstendenzen von Witterungsextremen“ und zu einem gemeinsamen Klima-Informationssystem.
Mit dem Fachzentrum Klimawandel des Hessischen Landesamtes für Umwelt und Geologie erfolgt ein intensiver fachlicher Erfahrungsaustausch.
Für die Erfüllung der Aufgaben des Thüringer Freistaates im Bereich Klimawandel/-folgen/-anpassung ist eine enge Zusammenarbeit mit dem DWD unverzichtbar. Daher unterzeichneten am 06. Mai 2011 die Präsidenten der Thüringer Landesanstalten für Umwelt und Geologie, Landwirtschaft und Wald, Jagd und Fischerei eine Kooperationsvereinbarung mit dem DWD, auf deren Basis eine intensivere und effektivere Zusammenarbeit erfolgen soll. Diese beinhaltet u. a. den Daten- und Informationsaustausch, die Planung und Weiterentwicklung von Messnetzen, gemeinsame Projekte zur Verbesserung regionaler Klimamodelle und gemeinsame Veröffentlichungen. Für die Klimaagentur entsteht somit eine Schnittstellenfunktion in Thüringen.
Mit dem Institut für Hydrologie und Meteorologie an der Technischen Universität Dresden wurde die Klimadatenbank „Regionale Klimadatenbank – REKLI Thüringen“ entwickelt, die 2010 durch eine optimierte und aktualisierte Version „REKLI-Thüringen IV“ ersetzt wurde.
Institut für Atmosphäre und Umwelt an der Goethe-Universität Frankfurt/Main und dem Institut für Meteorologie und Klimatologie an der Leibnitz-Universität Hannover laufen gemeinsame Projektvorhaben.Das Climate Service Center (CSC) Hamburg hat eine Schnittstellenfunktion im Netzwerk von Akteuren der grundlagenorientierten Klimaforschung und Anwendern in den verschiedenen Fachbereichen.
Das Mitteldeutsche Klimabüro (MKB) am Umweltforschungszentrum (UFZ) Leipzig übernimmt für die neuen Bundesländer eine Mittler- und Koordinierungsfunktion zwischen Klimaforschung und Datennutzung/-anwendung.