自然场景的动态模拟一直是虚拟现实和计算机图形学中一个重要的研究领域,它在计算机动画、影视制作、虚拟现实、三维数字展示和战场模拟方面都有非常广泛的应用。风作为自然场景中不可缺少的元素,人们很早就开始尝试用计算机进行风和物体的交互式模拟。但由于风的机制非常复杂,风力大小和风向随时变化,风的类型也丰富多样,使得在风场作用下模拟大规模物体的运动成为一个富有挑战性的问题。本文基于空气动力学的特性,对风场模型进行分析,围绕龙卷风的实时模拟和树木在风中的摇曳技术展开研究。本文的目标是大规模的物体在风场作用下能实现快速的模拟和真实感的运动。为此,本文对一些关键性的问题进行了研究和探索,包括以下几个方面:第一,龙卷风的真实感建模。本文在第四章采用基于龙卷风的三维螺旋结构理论,利用大气动力和热力学方程组计算龙卷风的三维速度场的方法,选取较为简单的几何模型,较好地实现了物体与龙卷风的交互。为了实现龙卷风的螺旋扭曲效果,本文在第五章采用粒子系统对粒子进行建模,基于空气动力学的特性,通过对粒子进行受力分析,成功了的实现了粒子随龙卷风的运动效果。第二,对树木模型进行了研究,提出了载入树木模型和参数化方法相结合的植物建模方法,更好的体现了树木的形态结构。通过对树木模型进行简单的处理,为树木的动态模拟提供必要的信息,使树木的形变更具真实感。本文提出的方法具有较强的适用性,增加了树木动画的逼真程度。第三,大规模植被的动态模拟。在风场中快速模拟大规模植被的运动仍是计算机图形学的难题之一。树的动态模拟方法中大多采用基于力学方程的物理模拟技术把风力应用于单独的分枝,这种方法计算量大且难以达到实时性。本文采用高斯过程和噪声函数来模拟风场,使不同范围内的树木在风场中的摇曳不同。为了提升效率,研究了动态模拟的GPU加速技术,用基于GPU的过程法来合成树的运动;考虑到大规模场景中同一物种树木的相似性,采用实例化技术加快渲染的效率,另外还有裁减技术,成功的实现了大规模植被的实时动态摇曳效果。