对现实世界中自然场景的模拟仿真一直是计算机图形学中重要的研究方向之一,云作为一种常见的自然现象,其外形变化多样,光线在云中的传播十分复杂,这让云的三维仿真模拟成为计算机图形学中极具挑战性的课题。目前,三维云的模拟主要分为基于现象学的方法和基于物理学的方法,前者由于不考虑云的物理意义,生成的云看上去虽然逼真但是不具备气象学的参考价值;后者如实将空气动力学,流体力学和热力学等信息考虑进去,模拟出的云真实度更高,但是大规模模拟时速度因为大量计算受到限制,无法实时应用。因此,大规模云的三维模拟有如下问题亟待解决:1)只追求三维云模拟的视觉效果,却忽略了云的物理意义,尤其是在气象学方面的价值;2)用复杂的物理公式构建云的三维模型,在求解时运算量太大,无法实现与用户的实时交互。鉴于上述问题,本文对基于WRF模式的大规模云三维模拟进行研究,主要研究工作如下:(1)在建模方面,针对当前主流的云建模算法运行时间长,难以实时模拟等问题,提出了基于细节层次的粒子系统云建模方法。该方法在传统粒子系统算法的基础上,结合WRF数据特性,通过光学深度和消光系数制定了网格内粒子的分布策略,然后引入关联曲面,将云层看作是相互关联的层次结构,研究粒子之间性质的关联关系,建立细节层次与视距、粒子半径和数量间的关系。实验验证了基于细节层次的粒子系统建模方法能有效简化加快绘制速度。(2)在云的光照渲染方面,分析比较了目前常用光照模型,针对三维云模拟过程中光照模型实现复杂,计算量大绘制效率低等问题,提出基于预先计算方法的云渲染方法实现了对参考粒子内部光深度、单次散射以及多次散射的计算。对每个视角的位置、方向和光线方向的光深度、单次和多次散射,并将信息存储在查找表中。在运行时,直接使用查找表的信息,能有效缩短查表时间;此外,针对粒子间光照的互相作用,提出了一种改进的粒子混合方法,该方法通过考虑体积的交点来产生更准确的颜色混合。通过实验验证,该方法能明显提高渲染速度并且消除时间伪影。