城市空气污染是当前国内外面临的最大环境挑战之一,大气中的细颗粒物(PM2.5)和臭氧（O3）对空气质量、气候变化和公众健康有重要影响。近年来随着我国清洁空气政策的实施,大气细颗粒物污染总体明显改善,与此同时地面臭氧污染未降反升。这个问题引起学界广泛关注,其中针对我国中东部地区的研究在污染协同控制方面取得了很多创新性成果,然而,对拥有独特污染源组成、特殊气候条件的西北干旱半干旱区城市细颗粒物和臭氧的污染特征、形成机制及相互作用等科学问题的认识不足。兰州作为西北半干旱区的典型河谷盆地工业城市,曾经是全球空气污染最严重的城市之一,尽管近几十年来空气污染治理取得显著成效,但冬季的细颗粒物污染和夏季的臭氧污染仍然较为严重。因此,研究兰州大气细颗粒物和臭氧的污染特征及形成机制,探究细颗粒物和臭氧之间的相互作用机理,对于科学治理大气污染具有重要意义。本文基于兰州大气组分超级监测站（LACMS）2019年12月1日至2020年11月30日的观测资料,包括颗粒物浓度、化学成分、吸收和散射系数、能见度、挥发性有机物（VOCs）浓度、气体污染物浓度和气象参数等多种高分辨率小时在线观测数据,采用辐射传输（TUV）、光化学箱（NCAR MM）和正矩阵因子分解法（PMF）等模型,研究了兰州细颗粒物和臭氧的污染特征、形成机制以及相互作用。主要结果和结论如下:（1）兰州冬季颗粒物污染较为突出,2019年冬季兰州PM1、PM2.5、PM10、总悬浮颗粒物（TSP）的浓度均值分别为45.7、70.4、114、136.3μg·m-3。有机物（OM）和二次无机盐（SIAs）是兰州PM2.5的最主要成分。硫和氮的氧化比（SOR和NOR）较低,均值分别为0.2和0.1。非均相反应和光化学反应的减弱共同导致了高PM2.5浓度下SOR的降低。O3浓度减少和铵盐浓度增加的相反作用使得NOR随PM2.5浓度增加基本保持稳定。二次颗粒物生成的主要途径是光化学反应。随着PM2.5浓度增加,燃煤对PM2.5的贡献相对减少,而机动车排放的贡献增加。结果表明,控制一次碳质气溶胶和机动车尾气的排放是当前兰州防治冬季PM2.5污染的有效措施。（2）兰州夏季O3污染较为突出,2020年夏季的O3日最大8小时平均（MDA8O3）浓度均值为133.8μg·m-3。烷烃是兰州大气VOCs的关键组分（占比40.5%）。春、夏季芳香烃对臭氧生成潜势（OFP）的贡献最大,秋、冬季烯烃对OFP的贡献最大。芳香烃对二次有机气溶胶生成潜势的贡献最大。NCAR MM模式敏感性试验表明,兰州是VOCs敏感区,控制O3污染要以减少VOCs为主,在此基础上控制氮氧化物（NOx）,同时应该重点控制烯烃和芳香烃等活性VOCs的排放。（3）兰州PM2.5和O3的相关性在夏季呈正相关,而在秋、冬季呈负相关。SIAs和O3主要呈正相关,有机碳（OC）、元素碳（EC）和O3主要呈负相关。夏季高PM2.5浓度条件下的O3浓度更高,单次散射反照率（SSA）更高,紫外辐射更高,二次生成增强,SIAs占比增加。冬季高PM2.5浓度条件下的O3浓度更低,SSA更低,紫外辐射更低,二次生成降低,SIAs占比降低。O3促进了SIAs的生成,夏季O3和NOR、SOR呈显著正相关。（4）新冠病毒（COVID-19）疫情管控期间,PM2.5浓度下降了19%,NOx浓度下降了42%,而MDA8 O3浓度增加了83%。PMF源解析结果表明,机动车排放对PM2.5的贡献从管控前的42%下降到管控期间的37%,而二次生成的贡献从26%上升到30%。气溶胶的散射和吸收系数分别减少了29%和30%,导致能见度增加了35%。O3的增加是由VOCs与NOx的比值增加、PM2.5的减少以及SSA的增大共同导致的。基于观测结果揭示了O3、SIAs和SSA之间的正反馈机制。