Терминальный доплеровский метеорологический радар (TDWR) — это доплеровская метеорологическая радиолокационная система с трехмерным «карандашным лучом», используемая в основном для обнаружения опасных условий сдвига ветра , осадков и ветров на высоте и вблизи крупных аэропортов, расположенных в климате с большой подверженностью грозам в Соединенных Штатах. [1] По состоянию на 2011 год все они находились в эксплуатации с 45 действующими радарами, некоторые из которых охватывали несколько аэропортов в крупных мегаполисах по всей территории Соединенных Штатов и Пуэрто-Рико. [2] [3] Несколько подобных метеорологических радаров также были проданы в другие страны, такие как Китай ( Гонконг ). [4] [5] Финансируемая Федеральным управлением гражданской авиации США (FAA), технология TDWR была разработана в начале 1990-х годов в Лаборатории Линкольна , части Массачусетского технологического института , для оказания помощи авиадиспетчерам путем предоставления данных о сдвиге ветра в реальном времени и данных об осадках с высоким разрешением. [6]
Основным преимуществом TDWR по сравнению с предыдущими метеорологическими радарами является то, что он имеет более высокое разрешение по дальности, что означает, что он может видеть меньшие области атмосферы. [1] Причина такого разрешения заключается в том, что TDWR имеет более узкий луч, чем традиционные радиолокационные системы, и что он использует набор алгоритмов для уменьшения помех от земли . [6]
TDWR использует несущую волну в диапазоне частот 5600–5650 МГц ( длина волны 5 см ) с узким лучом и угловым разрешением 0,5 градуса и имеет пиковую мощность 250 кВт. В отражательной способности разрешение по расстоянию составляет 150 метров (500 футов) в пределах 135 километров (84 мили) от радара и 300 метров (1000 футов) от 135 километров (84 мили) до 460 километров (290 миль) от радара. [1] Причина этой разницы в том, что поскольку разрешение по ширине является угловым, на большем расстоянии ширина луча становится довольно большой, и для получения лучшего усреднения данных в объеме разрешения необходимо увеличить количество бинов импульса дальности . Это ограничение произвольно установлено для программного обеспечения на уровне 135 километров (84 мили).
В радиальных скоростях данные доступны до 90 километров (56 миль) от радара с полным угловым разрешением 0,5 градуса и разрешением по дальности 150 метров (490 футов). [1] Из-за используемой частоты повторения импульсов (PRF) возникает наложение спектров , и максимальная недвусмысленная скорость составляет 20–30 узлов (23–35 миль/ч; 37–56 км/ч). [1]
TDWR может выполнять сканирование вблизи поверхности под углом наклона 0,1-0,3 градуса от поверхности Земли каждую минуту. Он также может выполнять составное сканирование, в котором радар наблюдает под несколькими различными углами наклона, чтобы получить более полную картину атмосферных условий; каждое такое составное сканирование требует 6 минут. [1] [4]
Метеорологический радар NEXRAD, в настоящее время используемый Национальной метеорологической службой (NWS), представляет собой радар с длиной волны 10 см (2700–3000 МГц), способный выполнять полное сканирование каждые 4,5–10 минут в зависимости от количества сканируемых углов и от того, активен ли MESO-SAILS [7] , который добавляет дополнительное низкоуровневое сканирование при завершении объемного сканирования. Его разрешение составляет 0,5 градуса по ширине и 250 метров (820 футов) по дальности. Однозначная радиальная скорость составляет 62 узла (71 миля/ч; 115 км/ч) на расстоянии до 230 километров (140 миль) от радара. [1] [4]
Разрешение по дальности TDWR почти вдвое больше, чем у классической схемы NEXRAD. Это даст гораздо более подробную информацию о мелких особенностях в моделях осадков, особенно в грозах, в отражательной способности и радиальной скорости. Однако это более высокое разрешение доступно только до 135 километров (84 мили) от радара; за пределами этого разрешения разрешение близко к разрешению NEXRAD. Однако с августа 2008 года избыточная выборка на NEXRAD увеличила его разрешение на более низких высотах в данных отражательной способности до 0,25 км (0,16 мили) на 0,5 градуса и увеличила диапазон данных о доплеровской скорости до 300 км (190 миль). [8] [9] Это уменьшает преимущества TDWR для этих высот.
TDWR и NEXRAD дополняют друг друга перекрывающимся покрытием, каждое из которых предназначено для оптимального просмотра различных режимов воздушного пространства. Высокая скорость обновления TDWR на коротком расстоянии (диапазон 55 морских миль ) быстро фиксирует микромасштабные погодные явления в воздушном пространстве терминала. NEXRAD — это радар дальнего действия (диапазон 200 морских миль), предназначенный для выполнения нескольких функций на маршруте на большой высоте, над воздушным пространством терминала и далеко между терминалами. Более низкая скорость обновления NEXRAD, охватывающая более широкий объем, фиксирует мезомасштабные погодные явления. Более короткая длина волны 5 сантиметров (2,0 дюйма), которая ближе к размеру капли дождя, чем длина волны 10 сантиметров (3,9 дюйма), частично поглощается осадками. Это серьезный недостаток использования TDWR, поскольку сигнал может сильно ослабевать при сильных осадках. Это затухание означает, что радар не может «видеть» очень далеко сквозь сильный дождь и может пропустить суровую погоду, такую как сильные грозы, которые могут содержать сигнатуру торнадо, когда сильный дождь идет между радаром и этим штормом. Когда сильный дождь идет на обтекатель , дальность действия TDWR еще больше ограничивается. [1] [4] Наконец, град во время грозы, сканируемый TDWR, может полностью блокировать сигнал, поскольку его размер больше длины волны. [1] [4]
Вторая проблема — меньшая недвусмысленная радиальная скорость или скорость Найквиста . В случае TDWR это означает, что скорость осадков, движущихся со скоростью более 30 узлов (35 миль в час; 56 км/ч) от или к радару, будет проанализирована неправильно из-за наложения спектров . Алгоритмы для исправления этого не всегда дают правильные результаты. NEXRAD имеет порог, который в два раза выше (62 узла (71 миля в час; 115 км/ч)), и, таким образом, требуется меньше обработки и интерпретации. Из-за этого разрешение отражательной способности радара для мелкомасштабных объектов, таких как мезоциклоны , может быть лучше в TDWR, но разрешение скорости может быть хуже или, по крайней мере, неправильно проанализировано.
Таким образом, лучше всего использовать TDWR в сочетании с традиционным NEXRAD поблизости, чтобы ничего не упустить. В отличие от NEXRAD, который имеет национальное покрытие смежных Соединенных Штатов (хотя с некоторыми пробелами из-за рельефа местности), TDWR имеет спорадическое покрытие, предназначенное для крупных аэропортов. В то время как некоторые районы страны (северо-восточный мегаполис, штаты Огайо и Флорида, а также юго-западный квартал Tornado Alley в Оклахоме и Техасе) имеют высокую плотность подразделений TDWR, другие (все Западное побережье, северные Великие равнины и Скалистые горы, части Глубокого Юга и участок, идущий от северной Пенсильвании через северную часть штата Нью-Йорк и в северную часть Новой Англии) вообще не имеют покрытия TDWR.
Национальная лаборатория сильных штормов (NSSL) имеет программу разработки и усовершенствования радиолокационных продуктов, извлеченных из данных, полученных с радаров TDWR и NEXRAD. Группа по применению и передаче технологий предупреждения о суровых погодных условиях (SWAT) спонсируется Национальной метеорологической службой и FAA. В 2009 году она работала над улучшением фильтрации непогодных эхосигналов, улучшением алгоритмов устранения наложений скоростей, методами извлечения горизонтальной составляющей поля ветра с одного или нескольких радаров. NSSL предоставляет данные TDWR в офис NWS с конца 1990-х годов. [10] Центр управления радаром (ROC) NWS , хотя и сосредоточен на сети NEXRAD, также работает с TDWR.