Η Δρ. Κουκουλή υποστήριξε επιτυχώς το διδακτορικό της στην Ατμοσφαιρική Φυσική από το Τμήμα Ατμοσφαιρικής, Ωκεανικής και Πλανητικής Φυσικής του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης τον Μάρτιο του 2003. Στη συνέχεια εργάστηκε με υποτροφία Marie-Curie στο Τμήμα Ηλιακού Συστήματος του Ινστιτούτου Αστροφυσικής της Ανδαλουσίας, μέχρι τον Ιανουάριο του 2005, όταν ενσωματώθηκε ως ερευνητής στο Εργαστήριο Ατμοσφαιρικής Φυσικής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Η Δρ Κουκουλή ασχολείται με τις δορυφορικές παρατηρήσεις της ατμόσφαιρας με διάφορους επιστημονικούς στόχους, από την εκτίμηση του φορτίου αερολυμάτων με βάση τις παρατηρήσεις δορυφορικών οργάνων στην περιοχή του υπεριώδους και του ορατού, την επικύρωση ατμοσφαιρικών στοιχείων καθώς και παγκόσμιων μετρήσεων του όζοντος, την δημιουργία καινοτόμων πεδίων εκπομπών ρύπων για αέρια όπως τα NOx, SO2 και HCHO τόσο από δορυφορικές εικόνες όσο και φασματικές παρατηρήσεις. Έχει συμμετάσχει ως μεταδιδακτορική ερευνητής σε πολλά εθνικά και ευρωπαϊκά προγράμματα που χρηματοδοτούνται από την ΕΕ, την ESA και την EUMETSAT και έχει συν-συγγράψει περισσότερα από 80 άρθρα σε διεθνή περιοδικά με κριτή με συνολικό αριθμό αναφορών 2500 και h-index 30.