联合实验室聚焦于区域污染的核心科学问题和关键技术，以区域污染的“立体监测”、“形成机制”、“环境效应”以及“污染防治”四个相互依赖、互为促进的联合研究 小组为核心，以重点研究方向和所承担的课题目标为基础，开展跨学科的联合攻关和创新研究，实现在区域污染成因及环境影响方面的研究达到国际先进水平（图 3）。
方向1: 区域污染的立体监测平台与仪器研发。开展区域大气污染的立体监测与仪器研发，包括大气自由基和痕量气体高精准在线测量技术的研发与改进、大气细颗粒物形成的动态追踪和大气污染立体监测技术研发等；进行区域水环境综合监测，包括水-气界面温室气体监测技术开发、水生系统全物质通量同步监测-检测体系构建和水环境多物质通量大数据平台搭建。
方向2: 区域污染的形成机制。探究区域大气污染的形成机制，通过甄别对大气自由基化学、关键气态污染物的来源及其环境影响、大气细颗粒物的来源和增长机 制实现区域大气污染的模式模拟；剖析水生系统中介质多物质间相互作用机制，包括温室气体产生与转化机制、多相反应过程表征和多物质迁移转化和互作机制等。
方向 3: 区域污染的环境、健康和气候效应。建立大气污染暴露评价、健康效应早期识别技术掌握大气细颗粒物对人体健康的急性和慢性健康损伤的暴露-反应关系； 通过强化和完善基础资料数据库的建设，开展大气污染与气候变化相互作用的机理研究及气候风险的评估研究；识别水沙负载物质相互关系，揭示水沙介质中多物质相互作用的环境效能，阐明多物质通量的环境效应。
方向4: 区域污染防治战略和政策。基于对区域大气污染来源和成因的深入研究， 探索有效的臭氧和颗粒物协同控制方案，制定合理的区域大气污染协同控制措施；在识别水沙及多物质通量变化的基础上，开发污染物高效去除技术和节能型系统优化技术；提出流域污染物通量调控的技术对策；推进跨介质、跨尺度的区域综合研究。
