三维云层具有很强的非均匀性,是大气辐射传输的主要影响因素。如何快速准确地求解三维云层辐射,一直都是国内外研究的重点。本文针对由多次散射产生的辐射传输计算成本较高问题,通过构建多次散射近似模型,结合水平辐射交换计算方法,提高了三维云层辐射计算精度和计算效率。针对多次散射过程中云层粒子散射特性的获取问题,利用米氏散射模型结合Delta-M法计算相关的散射参量。基于散射特性和有限邻域内的辐射传输路径变化规律,通过计算水平辐射通量密度的变化值来表征三维云层辐射效应。利用太阳方向函数和水平辐射通量密度反射率,表征辐射传输过程中太阳光入射方向的影响和辐射作用情况,构建三维云层快速辐射模型。针对三维云层水平辐射交换计算问题,提出基于消光系数分布的水平辐射交换计算方法。利用消光系数和太阳光入射方向划分辐射阴影区域,通过有限邻域光学厚度修正水平辐射通量密度计算式。实验结果表明:该方法同IPA和EMS相比,在计算辐射源函数和辐射亮度时的精度更高;同SHDOM相比,源函数平均相对误差最低为17.36%,辐射传输求解速度更快,计算效率可提高大约16倍。针对消光系数非均匀性较弱时的三维云层水平辐射交换计算问题,提出基于太阳直接辐射的水平辐射交换计算方法。利用一维辐射路径与三维辐射路径下的太阳直射通量密度之差划分辐射阴影区域,通过水平方向上的云体单元光学厚度修正水平辐射通量密度计算式。实验结果表明:当太阳天顶角较大时,该方法的计算精度较优,USF和DSF的平均相对误差最高可分别降低31.40%和34.62%;同SHDOM相比,在取得精度提升的同时,保持了较快的辐射传输求解速度,计算效率同样可提高大约16倍。