基于WRF模式的大规模云数据三维模拟算法研究

3D simulation for WRF model cloud data can intuitively describe the cloud micro-physical parameters and its evolution progress in physical status, which plays a role in the decision and judgment for weather modification. This project will take the WRF cloud as research data and conduct the research sequentially from the three aspects of data modeling, model particles drawing and illumination rendering, and expect to solve the problems of the traditional 3D cloud data simulation, such as only used for small-scale virtual meteorological data, high computation cost, low fidelity and weak interaction. The research contents include the following three aspects. 1) Research on algorithms for WRF cloud data segmentation and modeling algorithms based on spherical voxels, so as to improve the fidelity of the modeled cloud shape. 2) Research on the compression methods for modeled voxels particles and the algorithms for multi-resolution cloud drawing, so as to reduce the dimensionality of modeled particles and realize fast and large-scale cloud drawing for different resolution cloud. 3) Research on illumination rendering method based on self-adaption Monte Carlo 3D radiation transfer theory, which is expected to improve the speed and accuracy for cloud rendering. Based on the research, a general model for WRF cloud 3D simulation will be established, which will lay a foundation for practical cloud simulation system design.

WRF模式云数据的三维模拟能够以物理形态真实描述云微物理参量及其演变过程，对人工影响天气的判断和决策具有最直接的指导作用。但是传统云三维模拟算法普遍存在仅适用小规模虚拟云、计算复杂度高、逼真度弱以及交互性不强等问题。为此，本项目拟以WRF模式云数据为研究对象，分别从数据建模、云图绘制以及光照渲染三方面顺序开展研究，具体研究内容包括：1）研究基于球形体素的WRF模式云数据空间分割与建模算法，以期提高云形状模拟的逼真度；2）研究基于小波变换的模型粒子化简和多分辨率绘制算法，以期降低模型粒子维数，实现不同分辨率大规模云数据的快速交互绘制；3）对光照模拟的相函数进行优化改进，通过引入粒子辐亮度贡献度机制，研究基于自适应Monte Carlo三维辐射传输的光照渲染算法，提高光照渲染的速度和精度。通过项目研究，不仅能建立WRF模式云数据的三维模拟通用模型，而且可以为云可视化应用系统的开发提供理论支持。

人工影响天气技术已经在世界各国气象、航空以及军事等部门普遍展开，其相关技术和应用成果在人类生产生活、社会经济发展以及气象安全等方面发挥着重要作用。云数值模拟WRF模式数据包含了复杂的云微物理参量和演变过程，但是描述复杂且表现方式不直观，无法得到直观应用。如果能通过计算机三维模拟来可视化WRF模式数据，提前直观了解这些典型云系的物理参量构成和演变趋势，就可以通过人工影响天气的技术手段来消除这些天气现象，甚至在气象安全领域可以改变、移动或者增强这种天气现象。本项目旨在对云数值模拟数据通过三维模拟算法生成类似于气象云图的真实云，从而获得对云的形态、分布和强度的直观展现，以及随时获取各种云微物理参量的构成、浓度以及演变趋势，从而为人工影响天气的决策判断提供实时支撑。. 本文以WRF模式云数据为研究对象，分别从数据建模、模型绘制以及光照渲染三方面，研究适合于大规模数值云数据的三维模拟算法，为现有云三维模拟算法普遍存在的诸多问题，如数据规模小、仅适用于虚拟气象数据、计算复杂度高、逼真度弱以及交互性不强等问题提供系统的解决方案，在球坐标空间中研究基于球形体素的WRF模式云数据建模算法及多分辨率绘制方法，以期提高不同尺度下三维云模拟的效率和效果。具体研究内容包括基于球形体素的WRF模式云数据建模算法、基于消散粒子系统的三维云实时动态模拟方法、基于小波变换的模型化简和多分辨率绘制算法、基于太阳辐射通量的自适应光照渲染算法，基于视觉相关光线投射的渲染算法以及基于八叉树邻域分析光线跟踪的云三维模拟等，这些方法很好的解决了现有数值云数据三维模拟存在的诸多问题，达到了降低计算复杂度，提高绘制渲染效果，真实模拟WRF模式云数据的物理参量以及形成演变过程的目的。通过该项目研究，期望能更好地结合实际需求，特别是在局部人工影响天气领域，最终设计一个统一的WRF云三维模拟理论模型，为开发达到实用水平的云三维模拟系统提供理论支持。