面向大气污染防治的国家重大需求，在全球最早提出“大气复合污染”的科学理论，并持续推进大气复合污染的理论体系创新与区域重大实践。研发了大气自由基的高灵敏在线测量技术，与欧美三足鼎立，为大气化学的原始创新提供了关键技术基础。创建了综合观测与准实际大气烟雾箱模拟结合的新方法，牵头中国大气超级观测站联盟，推动我国大气污染监测超级站建设/实践，建成大气复合污染综合测量集成技术体系。设计和实施了京津冀、长三角、珠三角和成渝等重点区域的重大国际联合综合外场闭合实验，推动京津冀、长三角、珠三角和成渝地区建立二次污染监测网络、数据集成分析和预报预警技术的业务化平台。
率先发现大气复合污染条件下存在独特的高频发生的“污染”型新粒子事件，突破了以往对污染地区难以发生新粒子生成事件的传统认识。在国际上首次提出新粒子生成致霾机制，将新粒子生成与重污染过程相联系，证实了受大气强氧化性驱动的新粒子生成是区域PM2.5污染的重要来源，进而被证实是我国霾污染的重要机制之一，推动了大气环境化学理论的发展。
提出基于大气氧化性调控的O3和PM2.5协同控制策略，推动持续实施臭氧污染防治行动计划，特别是广东省基于臭氧控制圆满完成蓝天保卫战硬任务。成果入选国家“十三五”科技创新成就展，服务于北京冬奥、上海进博、成都世大运和杭州亚运等重大活动空气质量和生物安全保障。
迄今国内规模最大的大气污染立体监测网—京津冀秋冬季重污染监测实验
国内首套可实现大气OH自由基在线测量的大气激光诱导荧光系统
揭示大气强氧化性驱动的高效快速二次转化是我国城市大气重污染形成的特殊成因（该成果获2019年度国家自然科学二等奖)）
