大气复合污染的形成原因非常复杂，多种污染源排放的一次气态和颗粒态污染物，经过复杂的物理和化学过程生成二次细颗粒物和臭氧等二次污染物；大气中光化学和自由基化学以及颗粒物表面多相化学过程决定了大气复合污染的生成。目前控制大气复合污染生成的关键化学过程过程认识尚不清楚，而灰霾污染中细颗粒物浓度的爆发性增长很难用现有的机理解释和模型模拟出来，这极大的限制了我国大气复合污染的模式预报及其成因分析，以及发展针对性的控制新思路。通过深入认识大气复合污染形成的关键化学过程，有可能识别出对大气复合污染生成贡献最大的污染前体物，从而采取针对这些污染物采取有效的控制措施，提出控制和抑制大气复合污染的新思路。
围绕着科学问题“控制大气氧化性与大气复合污染生成的关键化学过程是什么，大气气态污染物如何转化为颗粒态污染物？”，结合我国大气污染控制行动计划，通过多学科交叉合作，在我国大气污染重点区域开展大型、立体综合大气观测实验，在揭示大气氧化性、颗粒物形成机制、大气复合污染与天气过程的相互作用等方面取得突破，提出减缓大气复合污染的生成的技术思路，并在此基础上建立和完善我国燃煤-机动车-工业排放-生物质燃烧等多类型复合污染、高负荷共存条件下的大气二次颗粒物形成、演化和致霾新理论。
1. 大气氧化性与自由基化学
大气氧化性决定了大气中主要污染物的生成和去除，是大气复合污染形成的核心。大气氧化性主要由对流层中大气氧化活性物种的浓度决定，这些活性物种包括OH自由基、过氧自由基、NO3自由基、臭氧（O3）、Criegee自由基和卤素原子等。大气氧化活性物种的循环机制决定了它们在大气中的浓度和时空分布。针对这些高活性、超痕量大气氧化活性物种，需要发展先进的监测技术获得高时空分辨率的观测资料，进而开展量子化学计算、化学箱模式、化学传输模式模拟的综合研究，系统揭示它们的循环机制、量化大气氧化活性物种对大气复合污染及区域空气质量的影响。通过深入认识形成对大气复合污染形成的核心过程的深入认识，提出控制和抑制大气复合污染的新思路；主要研究内容包括：
1) 大气自由基在局地与区域尺度上的收支分析及循环机制；
2) 大气自由基的化学反应动力学及其对大气复合污染生成的贡献；
3) 生成大气自由基的化学过程及其前体物。
2. 新粒子生成与颗粒物演变机制
对新粒子生成的认识，有助于揭示大气二次颗粒物生成的关键化学过程。而目前对大气气态前体物如何通过气粒转化形成二次颗粒物，尤其对二次有机气溶胶形成机制认识还很不清楚，这构成了大气复合污染的复杂形成机理的重要前沿基础和挑战性科学问题，也是二次颗粒物的来源解析和大气污染数值精细预警预报等的技术“瓶颈”难题。目前有关大气新粒子形成和生长的理论计算、实验室模拟、与外场观测的结果存在着巨大的差异性，对这一现象的科学认识的严重不足极大地制约了大气颗粒物数浓度的准确模拟和和进一步的控制研究。因此有必要研究大气复合污染中由气体分子形成分子簇、进一步成核形成大气新粒子的大气化学机制，识别在大气新粒子生成和成长过程中起重要作用的气态前体物的化学成分。主要研究内容如下：
1) 大气纳米颗粒物化学组分测量原理与技术及大气新粒子化学组成；
2) 大气新粒子形成和生长中的化学机理；
3) 大气气态有机物生成二次有机气溶胶的关键机制。
3. 大气颗粒物表／界面的多相反应机制
目前在矿尘、黑碳、云雾滴表面界面多相反应取得了新的发展，陆续发现在沙尘暴后易于新粒子形成、黑碳具有很强的吸收臭氧的能力、生物气溶胶参与云凝结核对降水有直接影响等，特别是大气颗粒物多相反应实验室模拟结果在现场观测中证实在大气污染形成机制中具有重要影响。但是，颗粒物如何与无机污染物、有机污染物从吸收、表面键合、形成二次组分、内层化学组成的作用、脱附等过程，还缺乏深入细致的认识。有研究表明，在中国目前的大范围大气细颗粒物污染严重超标时，大气颗粒物的多相反应机制可能起着关键的作用，但目前对这一类反应及其在灰霾形成中的作用机制了解非常有限。主要研究内容如下：
1) 大气单颗粒物的组成与混合状态观测原理与技术；
2) 不同来源颗粒物及其混合状态下的表面、内层结构特征；
3) 大气颗粒物界面快速催化过程和气-固-液多相反应机制。
4. 大气复合污染的化学机理模拟
大气化学机理是在大量的化学反应动力学实验室研究基础上，对研究成果系统的归纳和集成，对多种大气化学过程（氧化性、颗粒物表/界面）的定量表征，在将实验室模拟、外场观测的结果进行相互比较验证的基础上，形成大气化学系列反应的数值化表达。国际上先后提出了Seinfeld简化机制，有机物的碳键机理（CBM）、加州大气污染研究中心机理(SAPRC)、区域酸沉降机理(RADM)、区域大气化学机理(RACM)、详尽化学机理 (MCM)和中间态组分机理(CRI)等，均是基于欧美的大气化学研究结果构建的。研究表明，这些机理在模拟我国大气重污染过程时有很大的不足。揭示我国大气复合污染特征下新的未知机理，对推动世界大气化学的发展具有重大意义。新的大气化学机理将于空气质量模型相结合，检验和评估大气化学新机制及区域大气复合污染的形成规律。
1） 大气复合污染形成的详尽化学机理及优化机制；
2） 大气化学新机制及区域大气复合污染的形成规律。