区域复合型环境污染控制是当前和未来国家的重大需求。发达国家上百年工业化过程中分阶段、递次出现并分步骤解决的环境污染问题在我国近40年的快速发展中集中出现（如：点源与非点源污染的多尺度叠加、生活污染和工业排放的多过程共存、水-气-土污染多介质复合），并在以京津冀、长三角、珠三角、成渝、汾渭平原等为代表的重点区域上突出呈现，已形成从大气到水土、从局部到整体的复合型区域环境污染格局。跨介质复合污染已成为我国环境问题进入新阶段的显著标志，是全球环境治理中最复杂且最具挑战的重大问题，也是影响和制约中国实现“两个一百年目标”及中国政府承诺履行联合国《2030年可持续发展议程》的瓶颈所在。
我国区域环境问题的复杂性使得研究其形成机制、效应与调控途径成为极具挑战的重大科学问题，无论是单环境要素的探究还是多介质的复合环境效应揭示，均对已有的研究体系和手段方法提出了更高的要求。在区域大气复合污染控制中，要求以支撑治理雾霾、光化学烟雾等大气污染问题为目标，识别大气重污染的主要来源及成因，开展大气污染形成机理及对健康的影响、污染源排放和大气环境质量监测技术、污染高效治理技术以及空气质量改善策略等研究，从而为我国重点区域空气质量显著改善提供系统的科学技术支撑。其核心是二次污染物的形成与控制机理，但却面临重大挑战，当今世界上最前沿的模型均无法解释我国灰霾重污染的生成过程及新粒子短时间爆发性增长的独特现象。在区域和流域水污染治理中，水资源、水环境、水灾害问题交织，使得水问题更加复杂，流域系统健康问题成为国内外广泛关注的重大科学问题。尤其是水环境开放系统中多种物质之间的关系、不同尺度 的效应、生物群落对生境与物质通量的响应已经成为多学科交叉研究的热点。由于河流开放系统具有的多层次、多功能、多物质、多尺度、多过程、多效应特点，如何建立与河流密切相关的垂直圈层体系、全物质通量同步监测与源解析体系、物质间相互作用与通量效应等？如何识别河流物质间的宏观-微观界面的耦合关联？如何将河流过程从物理-化学-生物进行过程复合？此外，在传统的水-气界面及水-土界面 物质转化、形态与相态变化研究的基础上，近年来国际科学界在水-气界面温室气体 通量、氮的跨介质循环及复合污染的环境健康效应等方面取得一些新的进展。研究表明，虽然河流和湖泊仅占全球陆地表面面积的 0.5%，但该部分水-气交换的温室气体总量却非常可观（如：仅河流N2O的排放量就约占全球人为排放量的 15%）。在跨介质污染过程的揭示中发现，人为排放的含氮物质在大气中经过复杂的化学变化形成二次污染，并经由干湿沉降进入土壤和水体造成酸化和富营养化，而土、水中的氮又会通过硝化和反硝化向大气中排放氮氧化物。上述研究发现说明，为了解决区域复合污染问题，必须要打破传统界限，将水圈与大气圈和生物圈联合起来进行研究，并亟需在理论、方法和研究手段等方面取得新的突破。
目前，我国环境污染防治已进入到攻坚阶段，环境保护科技发展面临保护公众健康和应对全球气候变化的双重压力。鉴于环境问题的全球性，展开国际联合研究及构建研究平台是解决区域污染控制重大科学挑战的关键途径，为此，北京大学和德国于利希研究中心基于已有合作研究基础，建立国际合作联合实验室，实现双方科研资源的有效整合和高效利用，形成以联合实验室为核心的国际“区域污染研究”集群，推动化学、物理学、经济学、管理学、信息科学等学科的进步一交叉融合。
联合实验室的主要建设目标是：（1）围绕我国区域污染的突出问题，开展区域污染立体监测与模拟、大气与水污染形成机制、区域污染-气候变化相互作用及健康 效应、水土气界面物质转化、河湖系统中物质相互作用及通量效应、多源污染控制关键技术与流域综合治理的系统性研究，取得基础理论和关键技术的原创性突破；（2）建设具有世界一流水平的区域污染防治科学研究基地，把握本领域制高点的先机，催生新的学科生长点；（3）汇聚国际一流创新人才协同攻关，形成国际化的组织管理机制体制，培养一批具有国际视野和社会责任感的杰出学者。
