随着计算机图形学理论和技术的不断发展，人们开始一步一步地模拟我们身边的这个世界。从建筑到家具，从城市到自然，图形学的技术使得我们可以将这个现实的世界完完整整的映射进虚拟的计算机中。在对自然界的模拟中，模拟天空是一个重要的领域。本文的研究目的就是在于模拟天空中的气象现象，主要是模拟云，以丰富虚拟现实领域对自然界的模拟。 在云的模型选择上，本文采用体素方格分割三维空间方式，存储云相关的数据信息。这种方法适合基于物理模拟的技术的实现，并且能够更好的反映云的特征。本文还采用metaball的方式，为云的渲染存储数据。使用metaball代替体素方格的做法，能够有效地减少渲染的数据量，并且在提高效率的同时，仍能够保证渲染质量，达到真实感和实时性的平衡。 在云的动态模拟方面，本文结合了细胞自动机（Cellular Automation）和CML模型（Coupled Map Lattice Model），利用细胞自动机模型中的概率控制的方法作为补充，控制基于物理运动的云的形状；并且使用概率的方法模拟了云层中的小水滴围绕凝结核不断聚集，超过空气浮力能承受的质量，形成降雨的过程，模拟了从水蒸气到云的形成，再从云到形成降雨、降雪的大气水循环的主要过程，实现了天空气象系统所需要的气象过程。本文还利用概率控制，提出了一种简单的，对天空中的云进行艺术造型的技术。 在云的渲染方面，本文改进了云基于metaball的单散射渲染模型，在原有两个通道的基础上增加了两个通道进行多散射的着色计算，提高了云层渲染的质量，并且通过对metaball依距视点距离进行切片分类，批量计算着色信息的方法，提高了原有算法的渲染效率。 本文还实现了天空气象系统的框架模型，通过云的模拟器，渲染器的接口互联，以及以通用体素方格的数据结构作为数据传递的格式，使得本文天空气象系统更加适合于拓展，便于今后研究的开展和深入。