主要從事水文水資源研究。在徑流形成與轉化的時變非線性理論與實踐方面取得系統的研究成果。提出了水文非線性系統識別理論與方法，解決了如何求解降雨徑流非線性響應關系的難題；發現了受控于土壤濕度、降雨強度和下墊面多要素組合的時變增益產流規律，揭示了徑流形成與轉化的水文非線性機理；發展了時變增益水文模型與水系統方法，明顯提高了徑流預測的精度，在解決變化環境下徑流模擬與調控的非線性、時空變異與不確定性研究方面，取得了重要突破，推動了水文科學的基礎研究。成果應用到我國東部季風區黃河、長江、淮河以及中小河流防洪減災、水質水量聯合調度、應對氣候變化的重大水利工程的水管理，產生了顯著的社會經濟效益。
已發表SCI論文134篇，其中第一作者和通訊作者87篇；EI收錄論文157篇;出版專著8部。獲由國際水文科學協會(IAHS)、聯合國教科文組織(UNESCO)以及世界氣象組織(WMO) 聯合頒發的國際水文科學領域的最高獎“國際水文科學獎（IHP-Volker Medal）”以及“國際水資源管理杰出貢獻獎”和“湖北省自然科學一等獎”等。曾任國際水資源協會（IWRA）主席，國際水文科學協會（IAHS）副主席。
