NEXRAD

Появление сети NEXRAD состоялось благодаря совместным усилиям министерства торговли, министерствa обороны и министерства транспорта США[2][3]. Её фундаментом стал комплекс доплеровских радаров WSR-88D (англ. Weather Surveillance Radar 88 Doppler), который предназначался для замены метеорологического радиолокационного оснащения национальной метеорологической службы, военно-воздушных сил, управления гражданской авиации и военно-морского командования метеорологии и океанографии[4].

Первые опыты по использованию доплеровского эффекта в радарной метеорологии в США начались в 1960-х годах[5]. Создание системы NEXRAD было запущено в 1976 году в Национальной лаборатории исследования сильных штормов (Норман, Оклахома). В 1979 году была создана концепция проекта, которая определяла общие подходы к разработке, а к 1980 году в рамках этой инициативы были утверждены детальные планы по реализации всей программы, технические требования, спецификации и распределение обязанностей между разработчиками. В 1986 и 1989 годах Оперативный центр контроля ВВС США AFOTEC провёл две серии экспериментов в рамках оценки эффективности и пригодности оборудования для программы NEXRAD, предложенного различными поставщиками[4].

В январе 1990 года в качестве основного подрядчика для выполнения контракта по поставке оборудования системы NEXRAD была выбрана корпорация Unisys. Первый доплеровский радар WSR-88D был установлен около города Оклахома-Сити осенью 1990 года. С этим событием началась модернизация технического оснащения и реструктуризация всей Национальной метеорологической службы США. К 1996 году полное количество введённых в строй радиолокационных установок с радарами WSR-88D достигло 140 рабочих станций, функционирующих под управлением ВВС и метеорологической службы. Помимо них на континентальной части США было построено 5 учебно-тренировочных метеостанций обеспечения. В дополнение к ним, 13 радаров системы WSR-88D планировались к монтажу на Аляске, Гавайях и в бассейне Карибского моря[6].

По данным на 2019 год полное количество радиолокационных метеостанций NEXRAD равнялось 160[2]. Они обеспечивают надёжное покрытие всей континентальной территории США, на Гавайях, Аляске и в Пуэрто-Рико[7]. Считается, что точность прогноза выпадения дождевых осадков с помощью радаров NEXRAD особенно высока для восточной части территории США (примерно две трети от полной площади страны)[7]. На момент введения системы NEXRAD в строй её основными достоинствами считались высокая чувствительность сенсоров, наличие режима проведения доплеровских измерений и возможность отображения измеренных величин в реальном масштабе времени, что способствует улучшению точности метеопрогнозов[3].

Среди недостатков системы NEXRAD выделяются следующие[7]:

• недостаточная функциональность в горных регионах страны из-за ограниченного обзора,
• невозможность зарегистрировать дождеобразование на низких высотах из-за того, что высоты радарных лучей возрастают с увеличением расстояния от радарных станций,
• неоднородность детектируемой отражаемости сигнала, которая меняется со временем и от одного места к другому,
• сложности с опознаванием смешанных и ледяных осадков,
• снижение площади охвата в зимний период времени,
• перебои в поступлении данных во время некоторых экстремальных ситуаций,
• и другие.

Радиолокационная установка NEXRAD в штате Иллинойс

Основой аппаратной части комплекса NEXRAD являются многофункциональные доплеровские радары WSR-88D[8], которые работают на длине волны 10 см (S-полоса)[9]. Такой выбор рабочей длины волны был продиктован необходимостью минимизировать взаимодействие системы NEXRAD с радиолокационным оборудованием другого назначения. Вся конструкция разрабатывалась специально для предсказания торнадо, точной детекции и позиционирования вихревых и турбулентных потоков, профилей сдвига ветра и оценки границ районов градообразования[10].

Дальность действия каждого радара составляет 230 км[11]. На высоте 10 000 футов (около 3000 метров) система NEXRAD обеспечивает почти непрерывное покрытие почти всей территории США, за исключением западных районов страны, где гористый рельеф делает невозможным сканирование вдоль подстилающей поверхности[6]. В качестве регистрируемых величин в процессе работы были выбраны отражаемость сигнала, средняя радиальная скорость и ширина доплеровского спектра с разрешением 1 градус на 1 километр (на расстоянии 460 км[10]). Начиная с 2008 года результаты измерений можно получить в сверхразрешении 0,5 градуса на 0,25 километра. После 2011 года была запущена модернизация радарных станций комплекса NEXRAD. Получив способность работы в режиме двойной поляризации, в дополнение к вышеупомянутым параметрам, они начали регистрировать дифференциальную отражаемость, корреляционный коэффициент сигнала и дифференциальный фазовый набег[9].

Принцип работы радиолокатора

Микроволновой генератор передатчика радара WSR-88D создаёт продолжительный когерентный сигнал на несущей частоте, который преобразуется в последовательность импульсов модулятором. Эти импульсы усиливаются клистронным усилителем до величин в 1 МВатт пиковой мощности (по данным NOAA — до 700 кВт[12]), однако средняя мощность обычно не превышает киловатта[13]. Излучаемый антенной сигнал имеет горизонтальную поляризацию[14].

Некоторые технические характеристики системы

С методологической точки зрения полный цикл получения измеренных величин включает в себя три основных этапа. Во время первого шага (англ. Radar Data Acquisition) осуществляется генерирование и снятие с приёмного тракта радиолокационного сигнала. Следом за этим происходит предварительная обработка радарных данных (англ. Radar Product Generation) во время которой измеренные радиолокационные величины преобразуются в метеорологические и гидрологические параметры[15]. Для оценки текущей нормы выпадающих дождевых осадков посредством измеренной радаром отражаемости используется классическое соотношение следующего вида[16]:

${\displaystyle Z=300R^{1.4}}$

где:

${\displaystyle Z}$ — радиолокационная отражаемость сигнала,

${\displaystyle R}$ — наблюдаемый уровень осадков.

При оценке уровня снегопада используется другая эмпирическая формула с теми же параметрами[17]:

${\displaystyle Z=1780R^{2.21}}$

Следом за этим осуществляется контроль качества и мониторинг хода измерений, запись данных и их распределение. На последнем шаге (англ. Principal User Processor) идёт обработка информации для конечного потребителя. Для этого аппаратная часть радарного комплекса включает в себя рабочую станцию с графическим процессором и 19-ти дюймовым монитором, цветной принтер и терминал коммуникационной системы. На этом шаге полученные данные отображаются, аннотируются и записываются по выбору оператора в нужном графическом представлении с нужным выбором параметров и их значений[15].

• NOAA's Role in Space-based Global Precipitation Estimation and Application / National Research Council of the National Academies. — Washington, D.C. : The National Academies Press, 2007. — ISBN 978-0-309-10298-8.
• Encyclopedia of Atmospheric Sciences / J. R. Holton. — Academic Press, 2003. — ISBN 0-12-227090-8.
• Crum, T. The WSR-88D and the WSR-88D Operational Support Facility : [англ.] / T. Crum, R. Alberty // Bulletin of the American Meteorological Society. — 1993. — Vol. 74, № 9 (September). — P. 1669–1687.
• Fukao, S. Radar for Meteorological and Atmospheric Observations : [англ.] / S. Fukao, K. Hamazu. — Springer, 2014. — ISBN 978-4-431-54333-6. — doi:10.1007/978-4-431-54334-3.