大气霾化学是揭示典型多介质复合污染环境下大气氧化性和二次细颗粒物成因，解析大气细颗粒物和臭氧污染与前体物间非线性复杂关系，综合研究气、液、固多相过程的污染形成和控制化学。大气霾化学研究直面大气复合污染防治的迫切需求，在空气质量保障和霾污染治理中发挥着重要作用。大气霾化学的基本理论和技术是实现霾污染精准溯源，建立大气污染科学调控策略以及发展大气污染控制技术的基础，是实现细颗粒物与臭氧污染协同控制的核心科技支撑。大气霾化学明显区别于云化学、大气光化学等理论，与污染控制化学、环境分析化学、环境生物学、环境地学、环境毒理学以及环境管理学等多学科交叉和相互融合，是大气环境化学学科发展的新历史节点和重大机遇。

大气氧化性是颗粒物二次生成的关键驱动力，与细颗粒物爆发性增长和霾污染的发生关系密切。大气氧化性主要取决于大气中 O₃、NO₂、OH 自由基、过氧自由基、NO₃ 自由基等活性氧和活性氮物质的浓度。复合污染条件下，这些自由基物种和其他大气成分（如 VOCs、NOx）及环境因素（如光照）之间的相互作用机制与效应是近来大气化学的研究热点。特别地，大气臭氧污染作为大气氧化性的组成部分，其产生和消除机制，以及近年来在我国发现的 PM_2.5 与 O₃ 污染间非线性复杂关系等都备受关注。

大气新粒子生成指发生在 1~3 nm 尺度空间的大气中气体组分通过复杂的物理化学过程直接形成二次颗粒物的成核过程。目前在包括第三极在内的全球各地均观测到大气新粒子生成过程，该过程贡献了全球 50% 以上的云凝结核，是影响地球辐射平衡和空气质量的重要过程。我国典型城市的高气溶胶浓度和高气态前体物浓度增加了新粒子生成过程的复杂性。例如，研究发现北京、上海等地新粒子形成速率显著高于清洁大气环境， 但北京的新粒子生长速率却不高。阐明高污染大气环境下新粒子成核机制和增长机制是大气霾化学的重要主题，对于大气复合污染防控和全球气候变化应对具有重要的意义。

在大气霾污染中，高浓度一次和二次颗粒物为污染物的转化提供了丰富的反应界面，高化学活性的颗粒物组分对气粒转化具有非常显著的催化/光催化作用。研究表明，一些在均相反应过程中不能发生或速度缓慢的反应可以在气溶胶表/界面快速进行；而且高浓度颗粒物以及共存的气体污染物可产生明显的协同效应，特别是复杂条件下的无机-有机耦合效应，极大地改变了大气污染物的环境寿命和环境效应。明显区别于气相和液相中的均相转化，多污染物参与的环境微界面反应增强了大气氧化性，成为二次颗粒物生成的重要反应通道，是霾污染形成的重要原因，也是揭示我国霾污染成因的核心科学问题。

PM_2.5 是组分极其复杂的混合物，目前对 PM_2.5 组分的认识还远远不能解释其成因和效应，原因在于仍有大量的组分及其效应还未被认识，尤其是低丰度有机二次组分和大气反应中间体的识别。基于分子水平的非常规有机组分的定性定量分析对于系统揭示不同污染水平下二次有机气溶胶形成机制极为关键。同时，PM_2.5 上附着的微生物组分的识别及其与 PM_2.5 健康风险的关系也亟需开展深入研究。

大气颗粒物可通过吸收和散射太阳光（气溶胶 - 辐射相互作用） 以及作为云凝结核和冰核影响云的形成和演变（气溶胶 - 云相互作用），对气象产生重要影响； 气象的改变又会反过来通过改变扩散条件和化学过程等对大气污染产生显著影响。研究表明，中国人为源颗粒物可通过气溶胶 - 辐射相互作用和气溶胶 - 云相互作用产生正向反馈作用，进一步推高颗粒物浓度。然而，目前对上述复杂反馈过程的认识还存在很大的不确定性。特别是气溶胶 - 云相互作用，由于涉及到复杂的化学、微物理、热力学、动力学过程，且不同过程在不同环境条件下的作用存在很大差异，是目前国际研究的难点和前沿。

2013 年以来，我国 PM_2.5 浓度显著下降，但同期 O₃ 浓度总体上升，PM_2.5 和 O₃ 协同控制成为国家环境保护的重大需求。PM_2.5 和 O₃ 具有 NOx 和 VOCs 等共同的前体物，且颗粒物表面的非均相反应、颗粒物与辐射和云的相互作用均影响O₃ 形成，因此 PM_2.5 和 O₃ 之间关联密切且与前体物排放的关系复杂，必须统筹协同应对。但由于 PM_2.5 和 O₃ 协同控制缺少国际经验，此前研究往往针对单一目标污染物开展，对 PM_2.5 与 O₃ 的耦合作用以及与前体物排放的协同非线性响应研究不足。因此，亟需在PM_2.5 和 O₃ 双重目标约束下，探索成本效益较优的多污染物协同控制理论和技术路线，针对关键污染源研发高效的多污染物控制技术，为我国实现 PM_2.5 和 O₃ 双达标提供科学可行的解决方案。

2020 年 9 月联合国大会上，习近平总书记正式宣布中国将力争 2030 年前实现碳达峰，2060 年前实现碳中和，体现了中国推动构建人类命运共同体的责任担当。“十四五”规划也把持续改善环境质量，加强 PM_2.5 与 O₃ 协同控制作为环境领域工作的重要内容。尽管经过近 10 年大气污染防治，大气污染形势有了显著好转，然而要完全避免不利气象条件下的污染事件，就必须开展大气污染物的深度减排。例如，氮氧化物的深度减排就是现阶段实现我国 PM_2.5 和 O₃ 协同控制的关键措施。由于温室气体与大气污染物（如氮氧化物）主要来自化石燃料的直接排放，因此二者具有同根同源性；这也意味着碳中和目标与空气质量目标高度一致、温室气体减排与大气污染治理措施显著协同。为了空气质量目标与双碳目标尽早实现，亟需“减污降碳协同增效”，由末端治理向源头治理转变，从根本上解决环境污染问题。

从 20 世纪 70 年代开始，我国大气能见度开始呈现下降趋势。特别是 20 世纪 90 年代以来，由于经济的快速发展，化石能源消耗激增，多污染物集中排放导致霾污染日益凸显，并在 2013－2014 年前后达到高峰。为支撑霾污染的科学防治，我国霾污染研究集体在复合污染机制、精准溯源以及大气污染控制策略和技术等方面开展了深入研究，取得了一大批令国际同行瞩目的研究成果。例如，在大气氧化性方面，北京大学张远航、陆克定等发现了“OH自由基非传统再生机制”的存在，揭示了自然界正以最大效能来氧化人类与自然界所排放的一次污染物的现象。在大气新粒子生成方面，清华大学蒋靖坤等突破了 1~3 nm 气溶胶测量技术瓶颈，提出了量化大气新粒子生成速率和生长速率的新方法；复旦大学陈建民、王琳等首次报道证实了特大城市大气中硫酸-水-有机胺主导的新粒子成核机制；北京大学胡敏等揭示了大气复合污染条件下独特的新粒子生成和增长机制，提出了污染地区大气核化致霾的假说；北京理工大学张秀辉等把化学反应引入新粒子成核模型，解决了涉及化学反应的大气成核模拟的难题，理论揭示了氨气自催化、有机酸“催化”以及硝酸参与的成核新机制。大气颗粒物非均相化学过程方面，中国科学院生态环境研究中心贺泓、清华大学贺克斌、中国科学院大气物理研究所王跃思等阐明了 NO₂ 是大气氧化性重要贡献者，发现 NO₂ 多相氧化 SO₂ 的过程是硫酸盐细粒子增长的重要渠道之一，成为经典大气化学理论的有力补充；中国科学院化学研究所葛茂发、王炜罡等进一步提出了过渡金属在气液界面上催化加速硫酸盐生成的新机制；中国科学院生态环境研究中心贺泓等首次发现并证明了可见光可激发 O₂ 分子与黑碳的非均相化学反应；中国科学院化学研究所赵进才、陈春城等进一步阐明了黑碳老化过程中的电子转移机制和能量转移机制。在霾污染观测方面，中国科学院安徽光学精密机械研究所刘文清、刘建国、谢品华等研发了一大批先进的大气环境探测设备，大气细颗粒物和臭氧激光雷达等实现产业化，打破了进口设备垄断的市场格局，并在 OH 自由基等先进监测设备方面取得重要突破，相关指标达到世界先进水平；中国科学院地球环境研究所曹军骥、黄如锦等通过联网观测，揭示了二次生成在细颗粒物污染中的主导作用；清华大学贺克斌等首次定量评估了重污染期间羟甲基磺酸盐（HMS）在PM_2.5中的贡献，提出未来应更加重视甲醛的控制。在污染溯源方面，中国科学院生态环境研究中心江桂斌、刘倩等首次发现了纳米颗粒自然转化中的稳定同位素分馏现象，建立了基于二维硅指纹的 PM_2.5 溯源新方法，并基于此揭示了北京地区 PM_2.5 一次与二次来源的急剧变化原因；中国科学院广州地球化学研究所王新明等利用烟雾箱模拟阐明了机动车尾气等典型排放源的一次排放特征和二次有机气溶胶生成潜势；清华大学贺克斌、张强、刘欢等建立了用于追溯污染源排放长期变化特征的环境大气颗粒物样品库、高分辨率排放因子数据库以及高分辨大气污染物、污染源排放清单，在支撑国家减排政策制定方面发挥了重要作用。在污染和气候相互作用方面，中国气象科学研究院张小曳、清华大学王书肖、中国科学院大气物理研究所王自发、南京大学丁爱军等发现颗粒物污染减少地面辐射、提高边界层稳定性，从而产生正反馈作用使颗粒物浓度进一步增加，是我国重霾污染形成的重要成因；清华大学张强等进而发现未来气候变化有可能加剧我国空气污染的不利健康影响。在污染控制策略和技术方面，中国科学院大气物理研究所王自发研发了中国自主产权的 NAQMS 空气质量模式和大气灰霾集合预报预警系统；清华大学郝吉明、王书肖等研发了基于不同气象条件的 PM_2.5 和 O₃ 与前体物排放的响应曲面模型方法，建立了中国空气污染控制成本效益与达标评估系统，实现了基于健康效益和控制成本分析的大气污染控制策略优化；中国科学院生态环境研究中心贺泓、中国科学院过程工程研究所陈运法、朱廷钰， 浙江大学高翔、清华大学李俊华等在污染物源排放控制方面取得了一系列技术突破，在燃煤电站、工业锅炉窑炉烟气净化和柴油车尾气净化方面实现产业化应用，取得了显著的环境和经济效益。

我国霾污染研究集体的科研成果有效支撑了大气污染防治行动计划、打赢蓝天保卫战三年行动计划等国家重大污染防治行动的实施，对近年来我国空气质量的明显改善做出了突出贡献。同时，随着我国霾污染研究论文数量的大幅增加和质量的快速提升，我国霾污染研究集体逐步在霾污染形成机制和防控理论方面形成了自己的优势与特色，与众多国际一流研究机构建立了广泛深入的合作，举办了一系列霾污染国际学术会议，在国际上具有重要的影响。基于在复合污染条件下二次细颗粒物爆发增长物理化学机制等方面取得的一系列国际瞩目的重要理论成果，我国霾污染研究集体提出了区别于伦敦烟雾和洛杉矶光化学烟雾的第 3 类大气霾污染的概念和研究体系，引领了大气环境化学的研究方向。

展望未来，大气霾化学作为一个新提出的理论，面临诸多挑战和发展机遇。全球发展中国家经济的粗放式快速发展，导致全球很多区域出现了高度复合的大气污染问题。过去几年中，我国采取了众多严厉的减排措施，付出高昂经济代价取得了显著效果，但目前 PM_2.5 的浓度仍远高于世界卫生组织指导值，秋冬季霾污染仍然时有发生，严重影响人民生命健康。其中最主要的原因是对霾污染的来源和形成机制认识还不够深入，无法实现精准控制，仍迫切需要针对大气霾化学过程开展深入的基础研究。另一方面，大气污染和气候系统之间反馈作用十分复杂，全球气候变化和大气污染的协同应对进一步对大气霾化学的研究提出了新的挑战。

霾化学是在我国跨越式发展过程中多污染物集中排放的大背景中发展起来的，在我国研究霾化学具有得天独厚的优势。前期霾化学相关的基础研究，不仅为推动我国霾污染治理提供了阶段性的科技支撑，同时也确立了中国学者在这一领域的学科优势。目前，我国在霾污染成因和控制方面的研究无论是论文发表数量还是引用率均已在世界上名列前茅。中国科学院生态环境研究中心贺泓院士、清华大学贺克斌院士、中国科学院化学研究所赵进才院士等领衔的研究团队提出了霾化学概念和研究体系，拓宽了大气化学的研究范围，在国际上具有重要的影响。在硬件设施方面，已经建立的“烟雾箱群”研究平台，以及已经启动建设的全球最大的大气环境模拟系统等将为大气霾化学的研究提供有力保障。

针对伦敦烟雾和洛杉矶烟雾等历史污染事件建立的云化学和大气光化学理论推动了大气环境化学的建立和发展，是 20 世纪环境化学和大气科学的代表性进展之一。针对高度复合的大气污染问题，有望在大气污染防治的实践中形成类似云化学和大气光化学的对人类社会发展产生重大影响的科技理论。不同于上述云化学和均相大气光化学，大气霾化学将着重研究多相大气（光）化学过程，特别是其中非均相环境催化过程对大气氧化性增强的影响，并且关注大气霾化学过程造成的健康风险。由我国科学家引领的针对大气霾污染形成机制和防控策略的研究已经成为当前全球环境科学研究的热点和焦点。发展霾化学理论，打造引领国际大气环境化学研究的科学高地和人才培养基地，将促进国际大气环境化学甚至是整个环境学科的发展，服务国家大气污染防控、建设美丽中国和保障人民生命健康的重大需求，形成有效控制大气污染治理的中国经验，为同样面临严重大气复合污染危害的“一带一路”发展中国家（如印度、伊朗）的大气污染精准控制提供强有力的科技支撑。