NEXRAD или Nexrad ( Next-Generation Radar ) — это сеть из 159 доплеровских метеорологических радаров S-диапазона с высоким разрешением , эксплуатируемых Национальной метеорологической службой (NWS), агентством Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA) в составе Министерства торговли США , Федеральным управлением гражданской авиации (FAA) в составе Министерства транспорта и ВВС США в составе Министерства обороны . Его техническое название — WSR-88D ( Weather Surveillance Radar, 1988, Doppler ).
NEXRAD обнаруживает осадки и атмосферное движение или ветер . Он возвращает данные , которые после обработки могут быть отображены на мозаичной карте, которая показывает закономерности осадков и их движения. Радарная система работает в двух основных режимах, выбираемых оператором — режим медленного сканирования при ясном небе для анализа движения воздуха, когда в области мало или совсем нет активности, и режим осадков с более быстрым сканированием для отслеживания активной погоды. NEXRAD уделяет повышенное внимание автоматизации , включая использование алгоритмов и автоматизированных объемных сканирований.
В 1970-х годах министерства торговли, обороны и транспорта США согласились, что для лучшего обслуживания их оперативных нужд необходимо заменить существующую национальную сеть радаров. Сеть радаров состояла из WSR-57, разработанного в 1957 году, и WSR-74, разработанного в 1974 году. Ни одна из систем не использовала технологию Доплера , которая предоставляет информацию о скорости и направлении ветра.
Совместный доплеровский оперативный проект (JDOP) был сформирован в 1976 году в Национальной лаборатории сильных штормов (NSSL) для изучения полезности использования доплеровского метеорологического радара для определения сильных и торнадообразных гроз . Испытания в течение следующих трех лет, проведенные Национальной метеорологической службой и Агентством метеорологической службы ВВС США , показали, что доплеровский радар обеспечивает значительное улучшение раннего обнаружения сильных гроз. Рабочая группа , в которую входил JDOP, опубликовала документ, содержащий концепции для разработки и эксплуатации национальной сети метеорологических радаров. В 1979 году был сформирован Офис совместной системной программы NEXRAD (JSPO) для продвижения вперед в разработке и развертывании предлагаемой сети радаров NEXRAD. В том же году NSSL завершила официальный отчет о разработке системы NEXRAD. [1] [2]
Когда предложение было представлено администрации Рейгана , рассматривались два варианта создания радиолокационных систем: разрешить корпоративным заявкам строить системы на основе схем ранее разработанного прототипа радара или искать подрядчиков для создания собственных систем с использованием заранее определенных спецификаций. Группа JSPO решила выбрать подрядчика для разработки и производства радаров, которые будут использоваться для национальной сети. Радиолокационные системы, разработанные Raytheon и Unisys, были испытаны в 1980-х годах. Однако потребовалось четыре года, чтобы позволить потенциальным подрядчикам разработать свои собственные модели. Unisys была выбрана в качестве подрядчика и получила контракт на полномасштабное производство в январе 1990 года. [1] [2]
Установка рабочего прототипа была завершена осенью 1990 года в Нормане, Оклахома . Первая установка WSR-88D для оперативного использования в ежедневном прогнозировании была в Стерлинге, Вирджиния , 12 июня 1992 года. Последняя система, развернутая в рамках программы установки, была установлена в Норт-Уэбстере, Индиана , 30 августа 1997 года. В 2011 году новый Langley Hill NEXRAD был добавлен в Langley Hill, Вашингтон, чтобы лучше покрыть Тихоокеанское побережье этой области; [3] другие радары также заполнили пробелы в покрытии в Эвансвилле, Индиана и Форт-Смите, Арканзас , после первоначальной установки. [ требуется цитата ] Местоположение площадок было выбрано стратегически, чтобы обеспечить перекрывающееся покрытие между радарами в случае отказа одного из них во время сурового погодного явления. Где это было возможно, они были размещены совместно с офисами прогнозов погоды NWS (WFO), чтобы обеспечить более быстрый доступ для специалистов по техническому обслуживанию. [4]
Радары NEXRAD включали ряд усовершенствований по сравнению с ранее использовавшимися радарными системами. Новая система обеспечивала доплеровскую скорость, улучшая способность прогнозирования торнадо путем обнаружения вращения, присутствующего внутри шторма под разными углами сканирования. Она обеспечивала улучшенное разрешение и чувствительность, позволяя операторам видеть такие особенности, как холодные фронты , фронты порывов грозы и мезомасштабные и даже штормовые особенности гроз, которые никогда не были видны на радаре. Радары NEXRAD также обеспечивали объемное сканирование атмосферы, позволяя операторам изучать вертикальную структуру штормов, и могли выступать в качестве ветровых профилировщиков , предоставляя подробную информацию о ветре на расстоянии нескольких километров над местом расположения радара. Радары также имели значительно увеличенный диапазон, что позволяло обнаруживать погодные явления на гораздо больших расстояниях от места расположения радара. [5]
Разработка, обслуживание и обучение WSR-88D координируются Центром радиолокационных операций NEXRAD (ROC), расположенным в Национальном метеорологическом центре (NWC) в Нормане, штат Оклахома. [6]
Университет Луизианы в Монро в Монро, штат Луизиана, эксплуатирует радар «клон WSR-88D», который используется местными отделениями Национальной метеорологической службы в Шривпорте , Литл-Роке и Джексоне для заполнения пробелов в покрытии NEXRAD в северо-восточной Луизиане, юго-восточном Арканзасе и западном Миссисипи. Однако статус радара как части сети NEXRAD оспаривается.
Стандартный WSR-88D работает в диапазоне S на частоте около 2800 МГц с типичным усилением около 53 дБ с использованием параболической антенны с центральным питанием. Частота повторения импульсов (PRF) варьируется от 318 до 1300 Гц с максимальной выходной мощностью 700 кВт на выходе клистрона, хотя и зависит от схемы покрытия объема (VCP), выбранной оператором. Все NEXRAD имеют диаметр тарелки 9,1 м (30 футов) и диаметр апертуры 8,5 м (28 футов). Используя предопределенные VCP, NEXRAD имеют традиционный минимум и максимум угла места в диапазоне от 0,1 до 19,5 градусов, хотя нерабочий минимум и максимум варьируются от −1 до +45 градусов. В отличие от своего предшественника, WSR-74 , антенна не может управляться вручную оператором. Данные уровня I WSR-88D являются записанными выходными данными цифрового приемника. [7] Пространственное разрешение зависит от типа данных и угла сканирования — данные уровня III имеют разрешение 1 км x 1 градус по азимуту, в то время как сверхвысокое разрешение уровня II (внедренное в 2008 году по всей стране) имеет разрешение 250 м x 0,5 градуса по азимуту ниже 2,4 градуса по углу места. [8]
Система радаров NEXRAD постоянно обновляет свою трехмерную базу данных с помощью одного из нескольких предопределенных шаблонов сканирования. Эти шаблоны имеют различные PRF для соответствия соответствующему использованию, но все они имеют постоянное разрешение. Поскольку система производит выборку атмосферы в трех измерениях, существует множество переменных, которые можно изменять в зависимости от желаемого результата. Со всеми традиционными VCP антенна сканирует максимум на 19,5 градусах по высоте и минимум на 0,5, а некоторые прибрежные участки сканируют всего на 0,2 градуса или ниже. Из-за неполного покрытия по высоте во всех радарах NEXRAD присутствует явление, известное как «Конус тишины». [9] Этот термин описывает отсутствие покрытия непосредственно над радарными площадками.
В настоящее время метеорологам NWS доступны семь шаблонов объемного покрытия (VCP), а восьмой находится в процессе замены одного из существующих семи. Каждый VCP представляет собой предопределенный набор инструкций, которые управляют скоростью вращения антенны, углом возвышения, частотой повторения импульсов передатчика и шириной импульса. Оператор радара выбирает из VCP в зависимости от типа погоды:
Доступен конкретный VCP, который в настоящее время используется на каждом объекте NEXRAD. [15]
Развернутая с марта по август 2008 года со всеми данными уровня II, [16] модернизация Super Resolution позволила радару производить данные с гораздо более высоким разрешением. При устаревшем разрешении WSR-88D предоставляет данные об отражательной способности на расстоянии 1 км (0,62 мили) на 1 градус до 460 км (290 миль) и данные о скорости на расстоянии 0,25 км (0,16 мили) на 1 градус до 230 км (140 миль). Super Resolution предоставляет данные об отражательной способности с размером выборки 0,25 км (0,16 мили) на 0,5 градуса и увеличивает диапазон данных о доплеровской скорости до 300 км (190 миль). Первоначально повышенное разрешение доступно только на нижних высотах сканирования. Super Resolution делает компромисс между немного сниженным шумоподавлением и большим выигрышем в разрешении. [17]
Улучшение азимутального разрешения увеличивает диапазон, на котором могут быть обнаружены мезомасштабные вращения торнадо. Это позволяет сократить время упреждения предупреждений и расширить полезный диапазон радара. Увеличенное разрешение (как по азимуту, так и по диапазону) увеличивает детализацию таких вращений, давая более точное представление о шторме. Наряду с предоставлением более подробной информации об обнаруженных осадках и других мезомасштабных характеристиках, сверхразрешение также обеспечивает дополнительную информацию для помощи в анализе других серьезных штормов. Сверхразрешение расширяет диапазон данных о скорости и предоставляет их быстрее, чем раньше, также позволяя сократить время упреждения при потенциальном обнаружении торнадо и последующих предупреждениях. [18]
Площадки WSR-88D по всей стране были модернизированы до поляриметрических радаров , которые добавляют вертикальную поляризацию к традиционным горизонтально поляризованным радиолокационным волнам, чтобы более точно различать, что отражает сигнал. Эта так называемая двойная поляризация позволяет радару различать дождь, град и снег, чего не могут точно делать горизонтально поляризованные радары. Ранние испытания показали, что дождь, ледяная крупа , снег, град, птицы, насекомые и помехи от земли имеют разные сигнатуры с двойной поляризацией, что может означать значительное улучшение в прогнозировании зимних штормов и сильных гроз. [19] Развертывание возможности двойной поляризации (сборка 12) на площадках NEXRAD началось в 2010 году и было завершено к лету 2013 года. Радар на авиабазе Вэнс в Эниде, штат Оклахома, был первым действующим WSR-88D, модифицированным для использования технологии двойной поляризации. Модифицированный радар был введен в эксплуатацию 3 марта 2011 года. [20]
Когда система NEXRAD была первоначально внедрена, радар автоматически сканировал все углы сканирования в шаблоне покрытия объема, даже если самые высокие углы сканирования были свободны от осадков. В результате во многих случаях, когда суровая погода была дальше от места расположения радара, синоптики не могли предоставить максимально своевременные предупреждения о суровой погоде. Алгоритм автоматизированной оценки и прекращения сканирования объема (AVSET) [21] помогает решить эту проблему, немедленно завершая сканирование объема, когда осадки возвращаются при более высоких углах сканирования и падают ниже установленного порогового значения (около 20 dBZ). Это часто может позволить выполнять больше сканирований объема в час, улучшая обнаружение суровой погоды без необходимости обновления оборудования [22] [23] AVSET был первоначально развернут в сборке RPG 12.3 осенью 2011 года.
Одним из основных недостатков радиолокационной системы WSR-88D было отсутствие частоты сканирования базы (0,5 градуса), особенно во время суровой погоды. Синоптики и телезрители дома часто имели доступ к изображениям, которым было четыре или пять минут, и поэтому имели неточную информацию. Телезрители дома могли быть убаюканы ложным чувством безопасности, что торнадо находится дальше от них, чем это было на самом деле, подвергая опасности жителей на пути шторма. Метод дополнительного адаптивного внутриобъемного сканирования низкого уровня (SAILS), развернутый с Build 14 в первой половине 2014 года, позволяет операторам запускать дополнительное сканирование базы в середине типичного сканирования объема. [24] При одном активном срезе SAILS на VCP 212 сканирование базы происходит примерно раз в две с половиной минуты, с более частыми обновлениями, если AVSET прекращает сканирование объема раньше времени.
Опция многократного сканирования по высоте для дополнительного адаптивного внутриобъемного сканирования низкого уровня (MESO-SAILS) является усовершенствованием SAILS, которое позволяет оператору радара запускать одно, два или три дополнительных сканирования базы в ходе сканирования объема по запросу оператора. [12] В июне 2013 года Центр управления радаром впервые протестировал SAILSx2, который добавляет два дополнительных сканирования низкого уровня на объем. Он выполнялся примерно 4,5 часа, и во время тестирования техник по электронике наблюдал за поведением узла пьедестала/антенны. Чрезмерного износа отмечено не было. Два дня спустя был выполнен SAILSx3, который добавил 3 дополнительных сканирования низкого уровня к объему. Во время этого 1,5-часового теста SAILSx3 инженер по оборудованию радара ROC сопровождал техника по электронике ROC для наблюдения за узлом антенны/пьедестала. Опять же, чрезмерного износа отмечено не было. [25] MESO-SAILS был развернут в сборке 16.1 весной 2016 года.
Среднеобъемное повторное сканирование возвышенностей низкого уровня ( MRLE ) — это динамическая опция сканирования для WSR-88D, полученная из MESO-SAILS [26] , отдельной опции сканирования, реализованной в NEXRAD RPG 14.0 весной 2014 года. [27]
Во время квазилинейных конвективных систем (QLCS), в просторечии известных как линии шквала, обнаружение мезовихрей , которые генерируются на высоте от 4000 до 8000 футов над уровнем земли, [28] не всегда возможно с помощью разрезов SAILS, поскольку базовый 0,5-градусный скан проходит ниже образования мезовихрей на более близких расстояниях к радару. MRLE последовательно сканирует либо два, три, либо четыре самых низких угла сканирования в середине типичного объемного сканирования, что позволяет более часто наблюдать за образованием мезовихрей во время событий QLCS. [29] MRLE будет развернут на неоперативной основе в RPG 18.0 весной 2018 года с возможным оперативным развертыванием с RPG 19.0, если будет доказана его полезность или важность.
Центр управления радаром ожидал, что развертывание начнется в октябре 2017 года вместе со сборкой RPG 18.0 на неоперативной основе. Опция сканирования будет доступна только для использования с шаблонами объемного покрытия 21, 12, 212 и дополнительно 215. [30] Если будет доказано, что она значительна с точки зрения распространения предупреждений, MRLE будет развернута оперативно по всей стране с RPG 18.0, запланированным на 2018 год.
Концепция MRLE вытекает из необходимости более частых сканирований на низком уровне во время квазилинейных конвективных систем (QLCS). Во время QLCS нередки случаи, когда кратковременные и в остальном незаметные мезовихри появляются в точках вдоль линии. [31] Из-за несвоевременных данных радара и времени, необходимого для завершения всего объема, эти вихри часто появляются без предупреждения или предварительного уведомления. С MRLE оператор имеет выбор между 2 и 4 сканированиями на низком уровне. В отличие от MESO-SAILS , который сканирует под одним углом и может делать только до 3 сканирований на низком уровне на объем, MRLE сканирует под 4 возможными углами и может врезаться в объем до 4 раз, в зависимости от выбора оператора. Углы следующие, вместе с соответствующими им частотами сканирования:
Оператор не может использовать MESO-SAILS вместе с MRLE одновременно. Если один выбран, когда другой активен, алгоритмы NEXRAD автоматически отключат другой.
Стартовавшая 13 марта 2013 года программа SLEP (Service Life Extension Program) представляет собой масштабную работу по поддержанию и поддержанию текущей сети NEXRAD в рабочем состоянии как можно дольше. Эти усовершенствования включают модернизацию процессора сигнала, модернизацию постамента, модернизацию передатчика и модернизацию укрытия. Ожидается, что программа будет завершена к 2022 году, что совпадает с началом общенационального внедрения многофункциональных фазированных радаров (см. ниже). [33]
WSR-88D имеет пробелы в покрытии ниже 10 000 футов (или вообще никакого покрытия) во многих частях континентальной части Соединенных Штатов, часто из-за рельефа или бюджетных причин, или удаленности области. Такие заметные пробелы включают большую часть Аляски ; несколько районов Орегона , включая центральное и южное побережье и большую часть области к востоку от Каскадных гор; многие части Скалистых гор ; Пирр, Южная Дакота ; части северного Техаса ; большие части Небраски Пэнхэндл ; регион Четырех Углов ; область вокруг Северо-Западного угла в Миннесоте; область около реки Коннектикут в Вермонте ; и области вблизи границ Оклахомы и Техаса Пэнхэндлс . Примечательно, что многие из этих пробелов лежат в аллее торнадо . По крайней мере один торнадо остался незамеченным WSR-88D из-за такого пробела в охвате — торнадо EF1 в Лавледи, штат Техас, в апреле 2014 года. Из-за пробела в охвате местные прогнозы Национальной метеорологической службы отнеслись к первоначальным сообщениям о торнадо скептически. [34] [35]
Пробелы в покрытии также могут быть вызваны отключением радаров, особенно в районах с небольшим или отсутствующим перекрытием покрытия. Например, отказ оборудования 16 июля 2013 года привел к отключению и разрыву покрытия для района Олбани, штат Нью-Йорк , который продолжался до начала августа. [36]
Пробел в покрытии в Северной Каролине побудил сенатора Ричарда Берра предложить законопроект S. 2058, также известный как Закон о защите от опасных погодных условий в мегаполисах 2015 года. Закон предписывает, чтобы любой город с населением 700 000 человек или более имел покрытие доплеровскими радарами на высоте <6000 футов над уровнем земли. [37] Законопроект был принят Сенатом , но не был рассмотрен в комитете Палаты представителей . [38]
Маловероятно, что будут развернуты дополнительные WSR-88D, поскольку производственная линия была остановлена в 1997 году, а у Национальной метеорологической службы недостаточно бюджета для возобновления производства. [35] В 2011 году известный пробел в покрытии был заполнен, когда был установлен радар Лэнгли-Хилл на юго-западе Вашингтона с использованием последнего оставшегося запасного. Эта возможность радара была инициирована общественной кампанией под руководством профессора Клиффа Масса из Вашингтонского университета и, вероятно, помогла офису Национальной метеорологической службы в Портленде, штат Орегон, выпустить своевременное предупреждение о торнадо Манзанита, штат Орегон, EF-2 в октябре 2016 года.
В 2021 году офис Национальной метеорологической службы в Слайделле, штат Луизиана, объявил, что в конце 2022 года они перенесут офисный NEXRAD из офисного здания в Слайделле на запад в Хаммонд. Наряду с меньшим углом возвышения новое местоположение позволит осуществлять мониторинг штормовой активности на более низком уровне в районе Батон-Руж , где самая низкая высота отбора проб упадет с 4000–6000 футов над поверхностью до 300–600 футов. [39]
Площадка NEXRAD, расположенная в Кайе, Пуэрто-Рико, была разрушена во время прохождения урагана Мария через регион в сентябре 2017 года. [40] В дополнение к соседней площадке терминального доплеровского метеорологического радара (TDWR), которая была временно выведена из строя, но в конечном итоге выжила, Министерство обороны разместило на острове два радара ближнего действия X-диапазона для обеспечения радиолокационного покрытия до тех пор, пока не будет восстановлена площадка NEXRAD, поддерживаемая FAA. [41] В июне 2018 года эта площадка радара NEXRAD была восстановлена до полностью рабочего состояния и была усилена несколькими громоотводами и защищена более прочным куполом из стекловолокна, включающим использование более 3000 болтов. [42]
27 августа 2020 года радиолокационный объект NEXRAD, расположенный в Лейк-Чарльзе, штат Луизиана , был разрушен ураганом Лора , когда центр шторма категории 4, который сопровождался порывами ветра со скоростью около 135 миль в час (217 км/ч) в городе, прошел над этим местом после того, как он вышел на сушу. Радары NEXRAD, расположенные в Хьюстоне, Шривпорте и Форт-Полке, использовались для заполнения пробелов в радиолокационном покрытии в некоторых частях юго-западной Луизианы, пока объект в Лейк-Чарльзе не был восстановлен; Центр радиолокационных операций NWS также развернул автомобиль SMART-R, предоставленный в аренду Университетом Оклахомы, для предоставления дополнительных радиолокационных данных об урагане «Дельта» до его продвижения в регион (почти параллельно с ураганом «Лаура») в конце октября. [43] [44] [45] Эксплуатационная эксплуатация радиолокационной станции NEXRAD в Лейк-Чарльзе была восстановлена в январе 2021 года после четырехмесячного проекта реконструкции стоимостью 1,65 миллиона долларов, который включал замену обтекателя и внутреннего оборудования, а также ремонт постамента обтекателя, башни, ограждения и укрытий для оборудования станции. [46]
24 мая 2023 года радиолокационная станция NEXRAD, расположенная на Гуаме , была повреждена тайфуном Мавар , когда глаз тайфуна категории 4 прошел над северной оконечностью острова. После первоначального восстановления в эксплуатацию установка страдала от постоянных проблем и по состоянию на 24 апреля 2024 года была отмечена в NOTAM как «непригодная к эксплуатации». [47] Дальнейшие планы по восстановлению метеорологических радаров на Гуаме и CNMI неизвестны.
Национальная метеорологическая служба ведет список предстоящих усовершенствований системы WSR-88D. [48]
Помимо двойной поляризации, появление фазированной решетки радара, вероятно, станет следующим крупным улучшением в обнаружении суровых погодных условий. Его способность быстро сканировать большие площади даст огромное преимущество радиолокационным метеорологам. [49] Его дополнительная способность отслеживать как известные, так и неизвестные самолеты в трех измерениях позволит сети фазированной решетки одновременно заменить текущую сеть радаров наблюдения за воздушными маршрутами , сэкономив правительству Соединенных Штатов миллиарды долларов на расходах на техническое обслуживание. [49] [50] Национальная лаборатория сильных штормов прогнозирует, что система фазированной решетки в конечном итоге заменит текущую сеть радиолокационных передатчиков WSR-88D. [51]
Данные NEXRAD используются несколькими способами. Они используются метеорологами Национальной метеорологической службы и (в соответствии с положениями законодательства США ) свободно доступны пользователям за пределами NWS, включая исследователей , СМИ и частных лиц . Основная цель данных NEXRAD — помочь метеорологам NWS в оперативном прогнозировании . Данные позволяют им точно отслеживать осадки и предвидеть их развитие и отслеживать. Что еще важнее, они позволяют метеорологам отслеживать и предвидеть суровую погоду и торнадо. В сочетании с наземными отчетами предупреждения о торнадо и сильных грозах могут выпускаться для оповещения общественности об опасных штормах. Данные NEXRAD также предоставляют информацию о скорости осадков и помогают в гидрологическом прогнозировании. Данные предоставляются общественности в нескольких формах, наиболее простой формой является графика, опубликованная на веб-сайте NWS. Данные также доступны в двух похожих, но разных, необработанных форматах. Доступны непосредственно из NWS данные уровня III, состоящие из базовых продуктов с пониженным разрешением и низкой пропускной способностью , а также многих производных, постобработанных продуктов; Данные уровня II состоят только из базовых продуктов, но в их исходном разрешении. Из-за более высоких затрат на полосу пропускания данные уровня II не доступны напрямую из NWS. NWS свободно распространяет эти данные в Amazon Web Services [52] [53] и несколько ведущих университетов , которые в свою очередь распространяют данные в частных организациях. [54]
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )