Fitch风电场参数化方案是WRF中尺度气象模型中用于模拟风电场与大气相互作用的核心方案。该方案基于动量守恒原理，将风电机组简化为一个动量汇，通过计算风电场对网格尺度气流动量的提取效应，来模拟风电场的尾流影响和发电功率
1. 摘要
为提高中尺度模式中风电场的模拟精度，本研究评估了WRF模型中原有的Fitch风电场参数化方案的三种物理修改方案：空气密度修正 (ADM)、转子等效风速修正 (REWS) 和轴向诱导修正 (AIM)，并将三者结合为综合修改方案 (Fitch-COM)，用于增强其在真实大气条件下的风电场模拟能力。验证工作基于中国西北地区高海拔瓜州风电场（GZ03）的SCADA数据。
结果表明，三种单独修改方案虽有针对性价值（Fitch-ADM用于非标准空气密度，Fitch-REWS用于大叶片风机，Fitch-AIM用于局地-自由风速转换），但单独使用时均会引入显著偏差。然而，综合的Fitch-COM方案与观测值最为接近，相比原方案Fitch-O表现出稳健但持续的性能提升：相对偏差降低1.7%，相对均方根误差降低3.0%，皮尔逊相关系数提高2.8%。Fitch-COM提供了一个物理上更合理的框架，不像Fitch-O的“准确”结果来自于误差抵消。
进一步的案例应用显示，对于因上游风电场（GZ01/02）尾流造成的下游农场功率损失，Fitch-COM和Fitch-O均能模拟出约8.9% ~ 13.2%的功率亏损，其中Fitch-COM模拟的尾流效应比Fitch-O强约1.0%。尽管有限的观测数据带来了不确定性，本研究仍突出了结合多种基于物理的修改方案的价值，并支持Fitch-COM在具有显著特征的风电场（如高海拔、大叶片）中应用的潜力。
2. 引言
准确预测风电场尾流效应及其与大气相互作用，对风能高效利用至关重要。中尺度天气模式因其广阔的空间覆盖和对真实大气状态的综合描述，被认为是研究大尺度风电场尾流影响的首选工具。其中，WRF模型应用最广，其早期集成的Fitch风电场参数化方案已被广泛使用和验证。
Fitch原方案仅使用轮毂高度风速、恒定空气密度下的标准功率和推力系数来计算发电量和风机影响。然而，空气密度、转子等效风速等因素对功率预测的影响不可忽视，而Fitch原方案未能准确捕捉。此外，轴向诱导效应也未被考虑。虽有个别研究在三者之一的方向上对Fitch方案进行了改进，但其在真实大气条件下的有效性、具体贡献及综合表现尚不明确。
为填补这一空白，本研究首次在一个统一的基准上（基于真实风电场SCADA数据），验证了三种物理修改方案(Fitch-ADM, Fitch-REWS, Fitch-AIM)各自的效果，并将它们结合为综合方案(Fitch-COM)。研究目标为：
探究单个修改方案在真实大气条件下是否能提升模拟精度。
评估Fitch-COM相对于原方案Fitch-O的性能。
探索Fitch-COM在具有显著特征的风电场中的应用潜力。
3. 数据与方法
3.1 研究地点与数据
研究区域： 中国西北瓜州地区，地处祁连山与蒙古高原之间的狭窄走廊，地形产生狭管效应，形成中国重要风能基地。
风电场： 研究区域内有三个风电场。上游的GZ01/02（2014年底投运）风机轮毂较低、叶片较小。本研究重点关注的下游风电场GZ03（2021年底投运）装有50台GW165-4.0 MW风机，轮毂高度100米，转子直径165米。风机布局如图1c所示，地形诱导的东风先经过GZ01/02，再到达GZ03。
观测数据： 使用GZ03风电场2022年3月和7月的每小时风速与发电功率SCADA数据。数据经过基于分箱算法的质量控制处理，剔除非标准运行条件和异常值。
3.2 风电场参数化方案
本研究中评估了五种WRF模拟情景：
Fitch-O: 原始Fitch方案。
Fitch-ADM: 空气密度修正。根据实际空气密度调整风速输入，并重新计算功率和推力系数曲线。
Fitch-REWS: 转子等效风速修正。将轮毂高度风速替换为考虑了垂向风切变的转子扫掠面积等效风速。
Fitch-AIM: 轴向诱导修正。基于叶素动量理论，修正网格局地风速以获得Fitch方程假设的自由来流风速。
Fitch-COM: 综合修改方案，同时包含以上三项修改。
3.3 WRF模型配置
版本： WRF v4.2.1，包含Fitch方案的TKE平流解析错误修复。
区域设置： 三重单向嵌套，水平分辨率分别为9公里、3公里和1公里。最内层区域（分辨率1公里）覆盖所有风电场。
物理方案： 主要方案如表2所示。初始和边界条件来自ERA5再分析数据。
4. 结果与讨论
4.1 模型性能评估
总体功率表现： 在对所有风向、时段和风机的分析中，Fitch-O平均低估功率4%。Fitch-ADM因低空气密度低估更严重（16%），Fitch-REWS稍好（低估3%），而Fitch-AIM则高估功率4%。Fitch-COM的表现与Fitch-O相近（低估4%）。
无遮挡条件下的详细验证： 为排除上游风电场尾流干扰的混杂影响，重点选取从南方或西方（170°-280°）吹来的未被遮挡的风速样本，仅对GZ03的前排风机进行模型-观测验证。
修正方案单独使用的偏差： Fitch-ADM相对偏差为-16.6%，Fitch-REWS为-2.8%，Fitch-AIM为+9.5%。这表明尽管每种修正都有物理依据，但单独考虑一个因素会引入显著偏差。
综合方案的优势： Fitch-COM表现最佳，相对偏差为-0.9%。与Fitch-O相比，其相对偏差降低1.7%，相对均方根误差降低3.0%，相关系数提高2.8%。这并非统计学上的巨大改进，但Fitch-COM提供了一个物理机制更一致的框架，避免了Fitch-O因误差抵消而产生的“偶然准确性”。
4.2 风机场间尾流模拟案例（概念性研究）
功率亏损： 在东风情况下，Fitch-COM模拟显示，上游GZ01/02的存在导致下游GZ03风速和功率显著降低。GZ03中，从东到西（RoWE至RoWW），平均风速亏损从10.9%降至6.7%，平均功率亏损从13.2%降至9.8%。
Fitch-COM与Fitch-O比较： 二者模拟的空间分布模式相似，但Fitch-COM模拟的尾流和功率亏损普遍比Fitch-O强约1.0%。这与其修正后导致的更大推力系数有关。
功率亏损的影响因素： 背景风速越大（10-12 m/s）、大气层结越稳定，上游风电场对下游造成的功率亏损越大，这与物理原理和现有文献一致。
5. 结论与展望
结论：
空气密度修正（ADM）、转子等效风速修正（REWS）、轴向诱导修正（AIM）对Fitch方案的修改均有其明确的物理意义，但在模拟实际风电场功率时，单一应用会引入新的偏差。
将三者相结合的Fitch-COM综合修改方案，在真实大气条件下的模拟性能优于原方案Fitch-O，提供了一个物理上更自洽、性能更稳健的框架，尤其适用于具有高海拔、大叶片等显著特征的风电场。
模型在交错风向条件下的表现优于对齐风向条件，显示了风电场布局对模拟精度的影响。
未来工作与局限：
数据限制： 本研究仅使用2个月的SCADA数据进行验证，数据覆盖率有限且过滤了低质量点，这给结论带来一定不确定性。未来需要收集更长期、更连续、覆盖更多季节和大气稳定度条件的观测数据，以增强验证的可靠性和结果的普适性。
模型配置： 1公里的分辨率在本研究中是合适的，平衡了计算成本与模拟目标（农场尺度尾流）。但更小尺度的尾流相互作用（如场内行间尾流）可能需要更高分辨率的模拟。
应用验证： Fitch-COM方案的普适性需要在更多具有不同特征（如复杂地形、海上）的风电场中进行进一步的测试和验证。