Доц. Пенева се интересува от математическото описание на заобикалящата ни среда, как да представим всичко, което се случва, в уравнения и графики. Тези модели са полезни след това за изготвянето на краткосрочни и дългосрочни прогнози, както и хипотетични сценарии на възможни събития. Във фокуса на изследванията й е взаимната връзка между океана и атмосферата и как големите басейни като Черно море влияят на климата в региона. Към изследването на черноморските физични процеси има специален интерес: измененията на температурата, солеността и скоростите на теченията в басейна, възникването и разпространението на вълни и вихри, обменът на води със Средиземно море през Босфорския проток.