NEXRAD или Nexrad ( Радар следующего поколения ) — это сеть из 159 доплеровских метеорологических радаров S-диапазона высокого разрешения , управляемых Национальной метеорологической службой (NWS), агентством Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA) в составе Департамента США. торговли , Федеральное управление гражданской авиации (FAA) в составе Министерства транспорта и ВВС США в составе Министерства обороны . Его техническое название — WSR-88D ( РЛС наблюдения за погодой, 1988 г., доплеровский ).
NEXRAD обнаруживает осадки , движение атмосферы или ветер . Он возвращает данные , которые после обработки могут быть отображены на мозаичной карте, показывающей закономерности выпадения осадков и их движение. Радарная система работает в двух основных режимах, выбираемых оператором: режим медленного сканирования при ясном небе для анализа движения воздуха, когда в районе мало активности или ее полное отсутствие, и режим осадков с более быстрым сканированием для отслеживания активной погоды. . NEXRAD уделяет повышенное внимание автоматизации , включая использование алгоритмов и автоматическое сканирование томов.
В 1970-х годах министерства торговли, обороны и транспорта США согласились, что для лучшего удовлетворения их оперативных потребностей необходимо заменить существующую национальную радиолокационную сеть. Радиолокационная сеть состояла из WSR-57 , разработанного в 1957 году, и WSR-74, разработанного в 1974 году. Ни в одной из систем не использовалась доплеровская технология, которая предоставляет информацию о скорости и направлении ветра.
Объединенный доплеровский оперативный проект (JDOP) был сформирован в 1976 году в Национальной лаборатории сильных штормов (NSSL) для изучения полезности использования доплеровского метеорологического радара для выявления сильных и смерчных гроз . Испытания, проведенные в течение следующих трех лет Национальной метеорологической службой и Агентством воздушной метеорологической службы ВВС США , показали, что доплеровский радар значительно улучшил раннее обнаружение сильных гроз. Рабочая группа , в которую входил JDOP, опубликовала документ, в котором представлены концепции разработки и эксплуатации национальной сети метеорологических радиолокаторов. В 1979 году был создан Объединенный системный программный офис NEXRAD (JSPO) для продвижения разработки и развертывания предлагаемой радиолокационной сети NEXRAD. В том же году NSSL подготовил официальный отчет о разработке системы NEXRAD. [1] [2]
Когда это предложение было представлено администрации Рейгана , рассматривались два варианта создания радиолокационных систем: разрешить корпоративным тендерам создавать 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. Радарные системы, разработанные Raytheon и Unisys, прошли испытания в 1980-х годах. Однако потребовалось четыре года, чтобы позволить потенциальным подрядчикам разработать свои собственные модели. Unisys была выбрана подрядчиком и в январе 1990 года получила контракт на полномасштабное производство. [1] [2]
Установка действующего прототипа завершилась осенью 1990 года в Нормане, штат Оклахома . Первая установка WSR-88D для оперативного использования в ежедневном прогнозировании была в Стерлинге, штат Вирджиния, 12 июня 1992 года. Последняя система, развернутая в рамках программы установки, была установлена в Норт-Уэбстере, штат Индиана , 30 августа 1997 года. В 2011 году новый Langley Hill NEXRAD был добавлен в Лэнгли-Хилл, штат Вашингтон, чтобы лучше прикрывать тихоокеанское побережье в этом районе; [3] другие радары также заполнили пробелы в зоне покрытия в Эвансвилле, Индиана и Форт. Смит, Арканзас , после первоначальной установки. [ нужна цитата ] Места расположения объектов были выбраны стратегически, чтобы обеспечить перекрывающееся покрытие между радарами на случай, если один из них выйдет из строя во время сурового погодного явления. Там, где это было возможно, они размещались рядом с офисами прогнозов погоды (WFO) NWS, чтобы обеспечить более быстрый доступ специалистов по техническому обслуживанию. [4]
Радары NEXRAD включали в себя ряд улучшений по сравнению с ранее использовавшимися радиолокационными системами. Новая система обеспечивала доплеровскую скорость, улучшая способность прогнозирования торнадо за счет обнаружения вращения внутри шторма под разными углами сканирования. Он обеспечивал улучшенное разрешение и чувствительность, позволяя операторам видеть такие особенности, как холодные фронты , фронты грозовых порывов , а также мезомасштабные и даже штормовые характеристики гроз, которые никогда не были видны на радаре. Радары NEXRAD также обеспечивали объемное сканирование атмосферы, позволяя операторам изучать вертикальную структуру штормов, и могли действовать как профилировщики ветра , предоставляя подробную информацию о ветре на несколько километров над местом расположения радара. Радары также имели значительно увеличенную дальность действия, что позволяло обнаруживать погодные явления на гораздо больших расстояниях от радара. [5]
Разработку, обслуживание и обучение WSR-88D координирует Центр радиолокационной эксплуатации NEXRAD (ROC), расположенный в Национальном метеорологическом центре (NWC) в Нормане, Оклахома. [6]
Университет Луизианы в Монро в Монро, штат Луизиана, эксплуатирует радар «клон WSR-88D», который используется местными офисами Национальной метеорологической службы в Шривпорте , Литл-Роке и Джексоне для заполнения пробелов в покрытии NEXRAD на северо-востоке Луизианы, юго-востоке Арканзаса и западе 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 при использовании 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 объемного покрытия (VCP), выбранной оператором. Все NEXRAD имеют диаметр антенны 9,1 м (30 футов) и диаметр апертуры 8,5 м (28 футов). Используя заранее определенные VCP, NEXRAD имеют традиционный минимум и максимум высоты в диапазоне от 0,1 до 19,5 градусов, хотя нерабочий минимум и максимум находятся в диапазоне от -1 до +45 градусов. В отличие от своего предшественника WSR-74 , антенна не может управляться оператором вручную. Данные WSR-88D уровня I представляют собой записанный выходной сигнал цифрового приемника. [7] Пространственное разрешение зависит от типа данных и угла сканирования: данные уровня III имеют разрешение 1 км x 1 градус по азимуту, а данные уровня II сверхвысокого разрешения (введены в 2008 году по всей стране) имеют разрешение 250 м на 0,5 градуса. по азимуту ниже 2,4 градуса по углу места. [8]
Радарная система NEXRAD постоянно обновляет свою трехмерную базу данных с помощью одного из нескольких заранее заданных шаблонов сканирования. Эти шаблоны имеют разные PRF в зависимости от конкретного использования, но все они имеют постоянное разрешение. Поскольку система осуществляет отбор проб атмосферы в трех измерениях, существует множество переменных, которые можно изменить в зависимости от желаемого результата. При использовании всех традиционных VCP антенна сканирует максимум 19,5 градусов по углу места и минимум 0,5 градуса, а некоторые прибрежные объекты сканируют всего 0,2 градуса или ниже. Из-за неполного охвата высот на всех радарах NEXRAD присутствует явление, известное как «Конус тишины». [9] Этот термин описывает отсутствие покрытия непосредственно над радиолокационными станциями.
В настоящее время метеорологам НМС доступны семь схем объемного охвата (VCP), причем восьмая находится в процессе замены одной из существующих семи. Каждый VCP представляет собой заранее определенный набор инструкций, которые управляют скоростью вращения антенны, углом места, частотой повторения импульсов передатчика и шириной импульса. Оператор радара выбирает одну из VCP в зависимости от типа погоды:
Доступен конкретный VCP, используемый в настоящее время на каждом объекте NEXRAD. [15]
Обновление Super Разрешение , развернутое с марта по август 2008 года со всеми данными уровня II, [16] позволило радару получать данные гораздо более высокого разрешения. При устаревшем разрешении WSR-88D предоставляет данные об отражательной способности на расстоянии от 1 км (0,62 мили) на 1 градус до 460 км (290 миль), а также данные о скорости на расстоянии от 0,25 км (0,16 мили) на 1 градус до дальности 230 км ( 140 миль). Super Разрешение предоставляет данные об отражательной способности с размером выборки 0,25 км (0,16 мили) на 0,5 градуса и увеличивает диапазон доплеровских данных о скорости до 300 км (190 миль). Первоначально повышенное разрешение доступно только на нижних уровнях сканирования. Суперразрешение представляет собой компромисс с небольшим уменьшением шумоподавления ради значительного увеличения разрешения. [17]
Улучшение азимутального разрешения увеличивает дальность обнаружения торнадических мезомасштабных вращений. Это позволяет сократить время выдачи предупреждений и расширить полезную дальность действия радара. Повышенное разрешение (как по азимуту, так и по дальности) увеличивает детализацию таких вращений, давая более точное представление о шторме. Помимо предоставления более подробной информации об обнаруженных осадках и других мезомасштабных характеристиках, Super Разрешение также предоставляет дополнительную информацию, помогающую при анализе других сильных штормов. Суперразрешение расширяет диапазон данных о скорости и предоставляет их быстрее, чем раньше, а также позволяет сократить время обнаружения потенциальных торнадо и последующих предупреждений. [18]
Станции WSR-88D по всей стране были модернизированы до поляриметрического радара , который добавляет вертикальную поляризацию к традиционным радарным волнам с горизонтальной поляризацией, чтобы более точно определить, что отражает сигнал. Эта так называемая двойная поляризация позволяет радару различать дождь, град и снег, чего не могут точно сделать радары с горизонтальной поляризацией. Ранние испытания показали, что дождь, ледяная крупа , снег, град, птицы, насекомые и наземные помехи имеют разные характеристики с двойной поляризацией, что может означать значительное улучшение прогнозирования зимних штормов и сильных гроз. [19] Развертывание возможностей двойной поляризации (сборка 12) на объектах NEXRAD началось в 2010 году и было завершено к лету 2013 года. Радар на базе ВВС Вэнс в Энид, штат Оклахома, был первым действующим WSR-88D, модифицированным для использования технология двойной поляризации. Модифицированная РЛС вступила в строй 3 марта 2011 г. [20]
Когда система NEXRAD была первоначально внедрена, радар автоматически сканировал все углы сканирования в схеме объемного покрытия, даже если на самых высоких углах сканирования не было осадков. В результате во многих случаях, когда суровая погода находилась дальше от радара, синоптики не могли обеспечить как можно более своевременные предупреждения о суровой погоде. Алгоритм автоматической оценки и прекращения сканирования объема (AVSET) [21] помогает решить эту проблему, немедленно прекращая сканирование объема, когда осадки, возвращающиеся при более высоких углах сканирования, падают ниже установленного порога (около 20 дБЗ). Часто это позволяет выполнять больше объемов сканирования в час, улучшая обнаружение суровых погодных условий без необходимости обновления оборудования. [22] [23] AVSET был первоначально развернут в RPG build 12.3 осенью 2011 года.
Одним из основных недостатков радиолокационной системы WSR-88D было отсутствие частоты базового (0,5 градуса) сканирования, особенно в суровую погоду. Синоптики и домашние телезрители часто имели доступ к изображениям четырех- или пятиминутной давности и, следовательно, имели неточную информацию. У телезрителей дома может возникнуть ложное чувство безопасности, что торнадо находится дальше от них, чем на самом деле, подвергая опасности жителей на пути урагана. Метод дополнительного адаптивного внутритомного низкоуровневого сканирования (SAILS), развернутый вместе со сборкой 14 в первой половине 2014 года, позволяет операторам запускать дополнительное базовое сканирование в середине типичного сканирования тома. [24] При активном одном сокращении SAILS на VCP 212 базовое сканирование происходит примерно раз в две с половиной минуты, с более частыми обновлениями, если AVSET досрочно завершает сканирование тома.
Опция множественного сканирования по высоте для дополнительного адаптивного внутриобъемного низкоуровневого сканирования (MESO-SAILS) — это усовершенствование SAILS, которое позволяет оператору радара выполнять одно, два или три дополнительных базовых сканирования в ходе объемного сканирования, в зависимости от запрос операторов. [12] В июне 2013 года Радарный операционный центр впервые протестировал SAILSx2, который добавляет два дополнительных низкоуровневых сканирования на каждый том. Оно выполнялось примерно 4,5 часа, и во время тестирования техник по электронике наблюдал за поведением узла постамента/антенны. Чрезмерного износа не отмечено. Двумя днями позже был выполнен SAILSx3, который добавил к тому 3 дополнительных низкоуровневых сканирования. Во время этого 1,5-часового теста SAILSx3 инженер по радиолокационному оборудованию ROC сопровождал техника по электронике ROC, чтобы наблюдать за узлом антенна/пьедестал. Опять же, никакого чрезмерного износа не наблюдалось. [25] MESO-SAILS был развернут вместе со сборкой 16.1 весной 2016 года.
Среднеобъемное повторное сканирование малых высот (в просторечии известное как MRLE ) — это опция динамического сканирования для WSR-88D, созданная на основе MESO-SAILS , [26] отдельная опция сканирования, реализованная 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 сокращений SAILS, поскольку базовое сканирование перемещается на 0,5 градуса. ниже формирования мезовихрей на более близких расстояниях к радару. MRLE последовательно сканирует два, три или четыре самых низких угла сканирования в середине типичного объемного сканирования, что позволяет более часто наблюдать за формированием мезовихря во время событий QLCS. [29] MRLE будет развернут на неоперативной основе в RPG 18.0 весной 2018 года, с возможным оперативным развертыванием в RPG 19.0, если окажется полезным или важным.
Центр радиолокационных операций ожидал, что развертывание начнется в октябре 2017 года вместе со сборкой RPG 18.0 на неэксплуатационной основе. Опция сканирования будет доступна только для использования со схемами объемного покрытия 21, 12, 212 и дополнительно 215. [30] Если окажется, что она важна с точки зрения распространения предупреждений, MRLE будет развернута в оперативном порядке по всей стране с помощью RPG 18.0, запланированного на 2018 год.
Концепция MRLE вытекает из необходимости более частого сканирования низкого уровня во время квазилинейных конвективных систем (QLCS). Во время QLCS в точках вдоль линии нередко возникают короткие и в остальном незаметные мезовихри . [31] Из-за несвоевременных данных радара и времени, потраченного на завершение всего объема, эти вихри часто возникают без предупреждения или предварительного уведомления. При использовании MRLE у оператора есть выбор между 2 и 4 сканированиями низкого уровня. В отличие от MESO-SAILS , который сканирует под одним углом и может выполнять только до 3 низкоуровневых сканирований на объем, MRLE сканирует под 4 возможными углами и может разрезать объем до 4 раз, в зависимости от выбора оператора. Углы следующие, наряду с соответствующими частотами сканирования:
Оператор не может одновременно использовать MESO-SAILS вместе с MRLE. Если один из них выбран, а другой активен, алгоритмы NEXRAD автоматически отключат другой.
Программа SLEP, или Программа продления срока службы, стартовавшая 13 марта 2013 года, представляет собой обширную программу по поддержанию и поддержанию текущей сети NEXRAD в рабочем состоянии как можно дольше. Эти улучшения включают в себя модернизацию процессора сигналов, модернизацию постамента, модернизацию передатчика и модернизацию убежища. Ожидается, что программа будет завершена к 2022 году, что совпадает с началом общенационального внедрения многофункциональных радаров с фазированной решеткой (см. ниже). [33]
WSR-88D имеет пробелы в покрытии ниже 10 000 футов (или вообще не имеет покрытия) во многих частях континентальной части Соединенных Штатов, часто из-за рельефа местности, бюджетных причин или удаленности района. Такие заметные пробелы включают большую часть Аляски ; несколько районов Орегона , включая центральное и южное побережье и большую часть территории к востоку от Каскадных гор; многие части Скалистых гор ; Пьер, Южная Дакота ; части северного Техаса ; большие части реки Небраска ; регион Четырех Углов ; территория вокруг Северо-Западного угла в Миннесоте; район возле реки Коннектикут в Вермонте ; и районы вблизи границ Оклахомы и Техаса Панхандлс . Примечательно, что многие из этих пробелов находятся на аллее торнадо . По крайней мере, один торнадо остался незамеченным WSR-88D из-за такого пробела в освещении – торнадо EF1 в Лавледи, штат Техас, в апреле 2014 года. местный прогнозный офис Национальной метеорологической службы. [34] [35]
Пробелы в покрытии также могут возникать во время сбоев в работе радаров, особенно в районах, где покрытие практически не перекрывается. Например, сбой оборудования 16 июля 2013 г. привел к отключению электроэнергии и разрыву покрытия в районе Олбани, штат Нью-Йорк , который продолжался до начала августа. [36]
Разрыв в зоне покрытия в Северной Каролине побудил сенатора Ричарда Берра предложить S. 2058, также известный как Закон о защите от погодных явлений в столичных городах от 2015 года. Закон требует, чтобы любой город с населением 700 000 или более человек должен иметь зону действия доплеровского радара на высоте <6 000 футов над уровнем моря. Нижний этаж. [37] Законопроект был принят Сенатом , но отклонен комитетом 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, возглавляемой профессором Клиффом Массом из Вашингтонского университета, и, вероятно, помогла офису NWS в Портленде, штат Орегон, выпустить своевременное предупреждение о торнадо Мансанита, штат Орегон , в октябре 2016 года.
В 2021 году офис Национальной метеорологической службы в Слайделле, штат Луизиана, объявил, что в конце 2022 года они перенесут NEXRAD офиса из офисного здания на западе Слайделла в Хаммонд . Помимо меньшего угла места, новое местоположение позволит осуществлять мониторинг на более низком уровне. штормовой активности 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 Кейи, Пуэрто-Рико, была разрушена во время прохождения через регион урагана «Мария» в сентябре 2017 года . Министерство обороны разместило на острове два радара ближнего действия Х- диапазона, чтобы обеспечить радиолокационное покрытие до тех пор, пока объект NEXRAD, обслуживаемый ФАУ, не будет восстановлен. [41] В июне 2018 года радарная площадка NEXRAD была восстановлена до полностью рабочего состояния, усилена несколькими громоотводами и закреплена более прочным куполом из стекловолокна, для чего было использовано более 3000 болтов. [42]
27 августа 2020 года радарная станция NEXRAD, расположенная в Лейк-Чарльзе, штат Луизиана , была разрушена ураганом «Лаура» , когда пронесся эпицентр шторма 4-й категории, который сопровождался порывами ветра, зафиксированными в городе со скоростью около 135 миль в час (217 км/ч). над местом после того, как он достиг берега. Радары NEXRAD, базирующиеся 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 использовал 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] Оперативное обслуживание радара NEXRAD в Лейк-Чарльзе было восстановлено в январе 2021 года после четырехмесячного проекта реконструкции стоимостью 1,65 миллиона долларов, который включал замену обтекателя и внутреннего оборудования, а также ремонт станции. постамент обтекателя, башня, ограждение и укрытия для оборудования. [46]
Национальная метеорологическая служба ведет список предстоящих улучшений системы WSR-88D. [47]
Помимо двойной поляризации, появление радара с фазированной решеткой, вероятно, станет следующим крупным улучшением в обнаружении суровой погоды. Его способность быстро сканировать большие территории дала бы огромное преимущество радиолокационным метеорологам. [48] Его дополнительная способность отслеживать как известные, так и неизвестные самолеты в трех измерениях позволит сети с фазированной решеткой одновременно заменить нынешнюю сеть радаров наблюдения за воздушными маршрутами , сэкономив правительству Соединенных Штатов миллиарды долларов на затратах на техническое обслуживание. [48] [49] Национальная лаборатория сильных штормов прогнозирует, что система с фазированной решеткой в конечном итоге заменит нынешнюю сеть радиолокационных передатчиков WSR-88D. [50]
Данные NEXRAD используются разными способами. Он используется метеорологами Национальной метеорологической службы и (согласно положениям законодательства США ) доступен бесплатно пользователям за пределами NWS, включая исследователей , средства массовой информации и частных лиц . Основная цель данных NEXRAD – помочь метеорологам NWS в оперативном прогнозировании . Данные позволяют им точно отслеживать осадки, прогнозировать их развитие и отслеживать. Что еще более важно, это позволяет метеорологам отслеживать и предвидеть суровую погоду и торнадо. В сочетании с наземными сводками можно выдавать предупреждения о торнадо и сильных грозах , чтобы предупредить общественность об опасных штормах. Данные NEXRAD также предоставляют информацию об интенсивности осадков и помогают в гидрологическом прогнозировании. Данные предоставляются общественности в нескольких формах, самой простой формой являются графики, публикуемые на веб-сайте NWS. Данные также доступны в двух похожих, но разных необработанных форматах. Непосредственно из NWS доступны данные уровня III, состоящие из базовых продуктов с уменьшенным разрешением и низкой пропускной способностью , а также множества производных продуктов с последующей обработкой; Данные уровня II состоят только из базовых продуктов, но с исходным разрешением. Из-за более высоких затрат на пропускную способность данные уровня II недоступны непосредственно из NWS. NWS бесплатно распространяет эти данные среди Amazon Web Services [51] [52] и нескольких ведущих университетов , которые, в свою очередь, распространяют данные частным организациям. [53]
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )