柴元方，浙江师范大学双龙特聘教授、博士生导师。主要研究方向为解析流域水文演变、生态过程响应与气候变化预估之间的跨圈层耦合机制，致力于揭示全球变化背景下水循环与生态系统相互作用的关键科学难题。以第一/通讯作者在 Nature Climate Change、Nature Communications（2022、2026）、One Earth（Cell子刊）、Science Bulletin、Communications Earth & Environment、npj Climate and Atmospheric Science、Journal of Hydrology 等国际权威期刊发表系列SCI论文，累计第一/通讯作者SCI论文20余篇，4篇入选ESI高被引论文、1篇入选ESI热点论文，授权发明专利2项；相关成果入选2025年度“中国地理科学十大研究进展”（排名第三）、全省实验室首批亮点科技成果，并获中国水利学会学术年会优秀论文奖。主持国家自然科学基金面上项目和青年项目、浙江省自然科学基金联合基金重点项目、武汉大学水资源工程与管理国家重点实验室开放研究基金、浙江省教育厅一般科研项目等。现任 The Innovation Geoscience 和 The Innovation Reviews 青年编委，相关成果被英国皇家工程院院士、美国国家工程院院士、世界科学院院士等国际权威学者引用与正面评价。
课题组常年招收硕士、博士研究生，欢迎水文学、地理学、生态学、大气科学、遥感、数据科学等相关背景学生加入。同时欢迎本科生和同行交流合作！
具体个人简介：
一、研究方向
全球变化水文学与生态水文学
地球系统模式偏差诊断与萌现约束
未来水循环预估及不确定性降低
冰冻圈水文、积雪—融雪水资源与雪旱/雪洪风险
骤旱、复合干旱与植被生产力损失及恢复 大气—生态—水文耦合过程与跨季节风险传递
遥感、再分析与统计/机器学习方法在生态水文中的应用
二、代表性科研项目
1. 2027—2030：北半球雪旱胁迫下植被的响应机制与未来风险预估研究，国家自然科学基金面上项目，主持。
2. 2024—2026：基于萌现约束的中国水循环未来变化预估及不确定性分析，国家自然科学基金青年项目，主持。
3. 2026—2028：气候变化背景下水资源演变与跨流域配置方法，浙江省自然科学基金联合基金重点项目，主持。
4. 2026—2027：长江流域骤旱对水资源影响的机制与未来风险，武汉大学水资源工程与管理国家重点实验室开放研究基金，主持。
5. 2025—2027：基于萌现约束的钱塘江流域未来水资源预估与不确定性降低，浙江省教育厅一般科研项目，主持。
三、代表性论文（第一/通讯）
1. Chai, Y.; Miao, C.; Gentine, P.; Mudryk, L.; Thackeray, C. W.; Berghuijs, W. R.; Wu, Y.; et al. Constrained Earth system models show a stronger reduction in future Northern Hemisphere snowmelt water. Nature Climate Change, 2025, 15, 514–520.
2. Chai, Y.; Miao, C.; AghaKouchak, A.; Pokhrel, Y.; Fu, Y.; Li, X.; et al. Flash droughts exacerbate global vegetation loss and delay recovery. Nature Communications, 2026, 17, 485.
3. Chai, Y.; Yue, Y.; Slater, L. J.; Yin, J.; Borthwick, A. G. L.; Chen, T.; et al. Constrained CMIP6 projections indicate less warming and a slower increase in water availability across Asia. Nature Communications, 2022, 13, 4124.
4. Chai, Y.; Miao, C.; Slater, L. J.; Ciais, P.; Berghuijs, W. R.; Chen, T.; et al. Underestimating global land greening: Future vegetation changes and their impacts on terrestrial water loss. One Earth, 2025, 8, 101176.
5. Chai, Y.; Yue, Y.; Borthwick, A. G. L.; Wang, Y.; Slater, L. J.; She, D.; et al. Water resources remain sustainable in global revegetated regions. Science Bulletin, 2025, 70, 4080–4090.
6. Chai, Y.; Yue, Y.; Slater, L. J.; Miao, C. Emergent constraints indicate slower increases in future global evapotranspiration. npj Climate and Atmospheric Science, 2025, 8, 46.
7. Hu, Y.; Yang, X.; He, Z.; Zhang, F.; Dong, B.; Chai, Y.* New insights from the bias-corrected simulations of CMIP6 in Northern Hemisphere’s snow drought. Communications Earth & Environment, 2026, 7, 165.
8. Chai, Y.; Miao, C.; Berghuijs, W. R.; Yang, Y.; Zhu, B.; Hu, Y.; et al. Global reduction in sensitivity of vegetation water use efficiency to increasing CO₂. Journal of Hydrology, 2024, 641, 131844.
9. Chai, Y.; Martins, G.; Nobre, C.; von Randow, C.; Chen, T.; Dolman, A. J. Constraining Amazonian land surface temperature sensitivity to precipitation and the probability of forest dieback. npj Climate and Atmospheric Science, 2021, 4, 6.
10. Liu, Y.; Chai, Y.*; Yue, Y.; Huang, Y.; Yang, Y.; Zhu, B.; et al. Effects of global greening phenomenon on water sustainability. Catena, 2022, 208, 105732.
11. Chai, Y.; Berghuijs, W. R.; Naudts, K.; Janssen, T. A. J.; Yao, Y.; Dolman, H. Using precipitation sensitivity to temperature to adjust projected global runoff. Environmental Research Letters, 2021, 16, 124032.
12. Zhu, B.; Cheng, Y.; Hu, X.; Chai, Y.*; Berghuijs, W. R.; Borthwick, A. G. L.; et al. Constrained tropical land temperature–precipitation sensitivity reveals decreasing evapotranspiration and faster vegetation greening in CMIP6 projections. npj Climate and Atmospheric Science, 2023, 6, 91.
13. Yang, Y.; Zheng, J.; Zhang, M.; Wang, J.; Chai, Y.* Impacts of human activities on the riverbed morphological in the tidal reaches of the Yangtze River. Journal of Hydrology, 2024, 630, 130735.
14. Yang, Y.; Li, M.; Liu, W.; Chai, Y.*; Zhang, J.; Yu, W. Relationship between potential waterway depth improvement and evolution of the Jingjiang Reach of the Yangtze River in China. Journal of Geographical Sciences, 2023, 33, 547–575.
15. Chai, Y.; Yang, Y.; Deng, J.; Sun, Z.; Li, Y.; Zhu, L. Evolution characteristics and drivers of the water level at an identical discharge in the Jingjiang reaches of the Yangtze River. Journal of Geographical Sciences, 2020, 30, 1633–1648.
四、 教育与工作经历
2025—至今：浙江师范大学地理与环境科学学院，双龙特聘教授、博士生导师
2023—2025：北京师范大学地理科学学部，博士后研究员
2019—2022：荷兰阿姆斯特丹自由大学，生态水文学博士
2016—2019：武汉大学，水力学及河流动力学，工学硕士
2012—2016：太原理工大学，农业水利工程，工学学士
五、学术任职
The Innovation Geoscience 青年编委
The Innovation Reviews 青年编委
完成30余次国际期刊同行评审
审稿期刊包括 Communications Earth & Environment、Water Resources Research、Agricultural and Forest Meteorology、Journal of Hydrology 等
六、代表性学术贡献
1. 发展水循环预估的空间显式萌现约束方法，推动未来气候预估由“模式集合平均”向“观测—机制约束”转变
未来水资源及洪旱极端变化评估高度依赖地球系统模式，但不同模式对增温、降水、蒸散发和积雪过程的响应差异巨大，且多模式可能共享结构性偏差，传统集合平均难以从根本上提高预估可信度。针对这一难题，柴元方以历史时期可观测的气候—水文响应为约束信息，构建历史变化特征与未来响应之间具有物理基础的跨模式关系，建立了“模式偏差诊断—约束指标筛选—概率分布更新—独立资料验证”的萌现约束技术体系。研究揭示了亚洲历史增温与未来降水变化之间的稳健联系，将未来降水预估不确定性降低12.1%—31.0%；进一步利用历史水汽压亏缺和降水变化约束未来蒸散发响应，将其预估不确定性降低18.1%—31.1%，并同步改善区域水资源可利用量评估。在此基础上，突破传统萌现约束主要针对全球或大区域平均值、默认约束关系空间均一的局限，将观测约束推进到网格尺度和动态水循环过程，发展空间分布式、区域自适应的约束框架，能够识别不同气候区约束关系的强弱与方向，并追踪气温、降水、蒸散发、积雪和径流等变量之间的偏差传递。该研究为判断哪些模式更可信、哪些区域偏差更大以及不确定性源自何种过程提供了统一框架，也为极端水文事件预估建立了可迁移的方法基础。相关成果以第一作者发表于 Nature Communications、npj Climate and Atmospheric Science 等期刊。英国皇家工程院院士Alistair G. L. Borthwick教授评价该方法在降低未来气候预估不确定性方面具有显著效果；美国国家工程院院士L. Ruby Leung教授引用相关成果，认为其揭示了气候模式模拟的关键局限，为提高模式可信度提供了重要依据。
图1 萌现约束模型降低气候预估不确定性
2. 揭示北半球积雪模拟的“增温—积雪悖论”及误差传递机制，重新认识未来雪水资源与洪旱风险
积雪是北半球陆地水循环的重要季节性储库，通过寒季储存固态降水、暖季释放融雪水，调节春季洪峰、夏季低流量以及生态系统和人类用水。然而，地球系统模式对积雪变化存在显著系统偏差，其来源及如何传递至未来水资源与极端事件预估长期缺乏清晰解释。柴元方融合地面气温、降雪和积雪观测、多源卫星遥感、再分析资料及CMIP模式模拟，发现模式在普遍高估历史地表增温的同时，仍系统性高估北半球积雪总量，形成显著的“增温—积雪悖论”。进一步研究表明，该悖论并非意味着积雪对温度响应失效，而主要源于模式高估微量降雪发生频率、低估冻结日数以及对积雪积累和消融过程表征不足。上述偏差沿“降雪频率—积雪储量—融雪释放—径流补给”链条逐级传递，最终造成未来可利用融雪水的系统性高估。针对这一问题，发展了面向积雪过程的空间分布式萌现约束方法，将历史冻结日数、积雪水当量及其观测偏差与未来融雪水变化建立物理统计联系。约束结果显示，未来北半球融雪水较原始模式预估进一步减少12%—16%，受显著影响区域约占北半球陆地面积的53%—60%。该成果发表于 Nature Climate Change，并入选2025年度“中国地理科学十大研究进展”。在此基础上，进一步将模式偏差订正拓展到北半球雪旱识别与风险评估，揭示原始积雪偏差不仅改变雪水资源总量判断，还会传递至雪旱发生频率、强度和空间格局的模拟，从而导致对未来春夏低流量和水资源短缺风险的误判。相关成果发表于 Communications Earth & Environment 等期刊。该研究纠正了“模式已经高估增温，因而不会同时高估积雪”的直观判断，揭示微量降雪频率等过程偏差能够抵消甚至掩盖温度效应，制造虚假的雪水资源安全感；同时，将积雪研究从“储量变化”推进到“储量—释放时间—释放速度”的过程链条，为从同一水量来源统一认识雪致洪水与雪致干旱提供了理论起点。相关研究受到 Skeptical Science、Science Magazine 和 Muser Press 等媒体报道。
图2 北半球雪水资源悖论的时空特征和驱动机制
3. 揭示快速干旱对植被损失与恢复过程的放大效应，建立水分亏缺—生态响应全过程评估框架
传统干旱研究多基于月尺度水分异常和事件平均影响，难以捕捉数周内快速发展的骤旱及其滞后生态效应。针对骤旱发展快、植被响应存在时间滞后、相邻事件影响叠加以及火灾等非干旱扰动混杂等难点，柴元方构建了兼顾干旱发展速度、植被滞后响应、连续事件补偿效应和非干旱干扰剔除的全过程识别方法，实现了从事件发生、植被受损到恢复结束的连续追踪。研究发现，骤旱造成的全球植被指数平均损失达到9.0%，约为缓发干旱的1.5倍，并呈现损失持续增强、恢复时间不断延长的趋势；不同生态系统之间存在显著差异，森林通常具有较强抵抗力但恢复较慢，草地和灌丛响应迅速，却更容易受到事件后降水和大气干旱的持续制约。相关成果发表于 Nature Communications、One Earth 和 Science Bulletin 等期刊。该研究突破了仅以干旱强度或最低土壤水分解释生态损失的传统认识，证明水分亏缺的形成速度、发生时序、持续时间和前期生态状态共同决定最终影响，揭示了“快速水分下降—植物调节时间不足—生理胁迫增强—碳吸收受限—恢复过程延迟”的非线性链条。国际地圈—生物圈计划主席、世界科学院院士Carlos A. Nobre教授团队引用相关成果，认为其突破了单一气候变异解释生态演变的局限，为认识气候因素与生态系统非线性耦合提供了科学依据。
图3 土壤干旱-植被响应机制研究
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