实验室围绕“未来地球”、“空中水资源”等重大前瞻问题和“全球创新”等新型合作模式，聚焦全球气候变化、极端天气、人口激增、高强度人类活动等所致的“超大城市水问题”、“泥石流与洪水灾害”、“适应性流域管理”等国际社会共同关注的热点科学问题，积极组织、参与国际重大科学研究计划，在全球范围内积极组织开展研究与合作。

       通过互派合作研究人员、共同开展科学试验/观测、召开国际研讨会议、合作发表研究论文等合作研究活动，促进协同创新与产学研相结合，对学科领域发展起到了辐射和引领作用，彰显了中国科学家的学术贡献、学术实力和逐渐增强的国际领导力：

       （1）通过科技部“科技创新国际化环境”类项目，牵头组织“空中水资源与天河工程”国际合作研究计划，合作方包括美国、澳大利亚、新西兰等国的知名大学和澳大利亚国家气象局，以色列、俄罗斯等国的大学也纷纷表达了合作研究意向；

      （2）积极组织和参与政府、国际组织、跨国企业的合作研究计划29项，包括中美、中欧、中英、中日、中澳、中新、中泰、中阿等多个国家或地区的双边/多边合作，研究领域涉及气候变化与极端气候、超大城市发展与灾害、粮食安全与水资源可持续利用、跨境河流等；

       （3）吸引和聘请了一批国际著名学者担任清华大学讲席教授或杰出访问教授，来实验室长期合作研究并已在Physical Review Letters、Science Advances等顶级期刊发表合作成果，其中包括美国科学院、工程院、艺术与科学院三院院士Howard A. Stone（普林斯顿大学）、美国科学院院士Gary Parker（伊利诺伊大学香槟分校）、美国工程院院士Danny Reible（德克萨斯理工大学）等顶尖科学家。