NEXRAD ou WSR-88D (de next-generation radar en anglais) est un réseau de radars météorologiques Doppler implantés par le National Weather Service (NOAA) à travers tout le territoire américain depuis 1988. Les radars NEXRAD détectent les précipitations et la direction de celles-ci pour en calculer la vitesse du vent. Le réseau de 160 stations est exploité conjointement par le National Weather Service (NWS), la Federal Aviation Administration (FAA) et l'US Air Force.
Le réseau NEXRAD effectue un sondage à haute résolution avec une longueur d'onde de dont l'atténuation est négligeable dans la pluie forte. Le programme de traitement des données est assorti de différents algorithmes pour l'analyse du potentiel des orages (grêle, tornades, vents). Sa désignation de WSR-88D vient de eather urveillance adar, 19, soit Radar de surveillance du temps version 1988, et oppler.
Histoire Genèse
vignette|gauche|Prototype du WSR-88D au National Severe Storms Laboratory Après la Seconde Guerre mondiale, certains scientifiques qui avait travaillé sur les radars se sont tournés vers l'utilisation météorologique de ces derniers. Les pionniers dans ces recherches furent les Britanniques, les Canadiens et les Américains, forts de leur expérience de guerre. Aux États-Unis, les premiers radars opérationnels furent construits dans les années 1950 et mesuraient l'intensité des précipitations. Peu à peu un réseau de radar s'est constitué, formé de radars de différentes époques et opérés par différents utilisateurs : forces armées, National Weather Service (NWS) et universités.
En même temps, la recherche continuait pour extraire plus d'information de la donnée radar, en particulier sur la vitesse de déplacement des précipitations et des phénomènes à très petite échelle. En 1967, le centre de recherche sur les radars du National Severe Storms Laboratory (NSSL) décida, selon les recommandations du professeur Roger Lhermitte et sous la direction d'Edwin Kessler, de développer un radar météorologique de bande S (longueur d'onde de ) pouvant détecter les mouvements des précipitations dans les nuages grâce à l’effet Doppler-Fizeau. En 1969, avec l'aide d'un consultant de l'université d'Oklahoma, Gene Walker, le NSSL put mettre la main sur un radar mis au rebut par la U.S. Air Force et provenant de la ligne DEW. Ce radar avait tous les éléments de base nécessaires, incluant un klystron mieux adapté à l'usage envisagé que les émetteurs à magnétron non-cohérents.
Quand le radar de Norman devint opérationnel au printemps de 1971, durant la saison des tornades du Tornado Alley, il s'agissait d'un des seuls radars météorologiques au monde de longueur d'onde de à utiliser l'effet Doppler-Fizeau. Les données recueillies par ce radar, et par son compagnon à plus à l'ouest, permirent de trouver la signature tornadique de rotation et les autres caractéristiques du mouvement de l'air et des précipitations dans les nuages. Les études avec les deux radars permirent de définir les caractéristiques que devaient avoir un radar météorologique de nouvelle génération pour répondre aux besoins du National Weather Service et de la US Air Force.
Installation du réseau À partir de 1988, le NWS commença à remplacer son réseau formé de radars construits en 1957 (WSR-57) et en 1974 (WSR-74) par le WSR-88D. Les systèmes radars développés par Raytheon et Unisys ont été testés dans les années 1980. Cependant, il a fallu quatre ans pour permettre aux sous-traitants potentiels de développer leurs modèles. Unisys a été choisi comme contractant et s'est vu attribuer un contrat de production à grande échelle en ...
Le premier de ces nouveaux radars fut terminé à l’automne 1990 à Norman (Oklahoma) comme système de démonstration et le premier radar opérationnel fut inauguré à Sterling (Virginie) le . Pour installer les 160 radars du programme, il fallut un certain temps et le dernier NEXRAD, celui de North Webster (Indiana), date du . Les sites radars ont été choisis afin de couvrir le maximum du territoire américain et pour fournir une certaine zone de recouvrement en cas de panne d'un radar.
Super-résolution
Les recherches du National Weather Service ont permis de mettre en fonction en une augmentation de la résolution des données des radars NEXRAD. Cette amélioration permet de faire passer la résolution pour les angles inférieurs (plus bas que ) : En réflectivité, de en portée par 1 degré en azimut à par jusqu'à du radar ; En vitesse radiale, de en portée par 1 degré en azimut jusqu'à à par et la portée maximale à .
Cette super-résolution se fait aux dépens d'un légère augmentation du bruit de fond. L'amélioration azimutale augmente la portée de détection des rotations dans les nuages associées avec le tornades et la finesse des données sur la structure des orages violents. Les prévisionnistes peuvent ainsi augmenter le préavis des alertes.
Double polarisation vignette|Radar conventionnel à polarisation horizontale vignette|Radar à double polarisation De 2010 à , les radars du réseau NEXRAD sont mis à niveau pour émettre simultanément des faisceaux radars polarisés verticalement et horizontalement. Les données comparées des retours orthogonaux permettent d'estimer directement le type de précipitations et d'éliminer certains artéfacts comme les oiseaux et les insectes qui ont des caractéristiques différentes. Ceci fait suite à un programme initié en 2000 appelé Joint Polarization Experiment (JPOLE) qui a servi à prouver l'utilité de ces données.
MESO-SAILS
L’option MESO-SAILS (Multiple Elevation Scan Option for Supplemental Adaptive Intra-Volume) est une amélioration du système WSR-88D qui ajoute des balayages supplémentaires de bas niveau dans chaque volume, selon la demande des opérateurs.. Ainsi après un certain nombre d'angles sondées, l'antenne retourne à l'angle le plus bas pour un balayage avant de continuer aux angles supérieurs. Ceci permet d'échantillonner plus fréquemment l'angle le plus bas lors d'un balayage complet vertical de l'atmosphère sans allonger indument le sondage complet. Ainsi le sondage complet est allongé de 31 secondes pour chaque retour à l'angle de base mais cela permet d'obtenir cet angle à chaque 75 à 90 secondes, au lieu de l’intervalle normal de 4 à 6 minutes, ce qui permet de mieux détecter et suivre les rotations reliées aux mésocyclones ou les rafales descendantes dans un orage..
En juin de 2013, le centre des opérations de radar a d'abord testé avec deux sondages supplémentaires de bas niveau par volume pour observer le comportement de l'ensemble piédestal/antenne du radar. Comme aucune usure excessive n'a été notée, trois jours plus tard une série de tests avec 3 sondages supplémentaires de bas niveau au volume radar furent essayés. À la suite de résultats concluants, la fonction MESO-SAILS fut déployée au printemps de 2014.
MRLE
Avec les lignes de grain, la détection des mésocyclones qui prennent souvent naissance entre et au-dessus du sol n’est pas toujours possible avec les coupes SAILS mentionnés ci-dessus.. En effet, l'angle de bas de base à tombe sous cette altitude près du radar. La réanalyse à mi-volume des élévations à faible niveau (MRLE) analyse consécutivement jusqu’à quatre angles d'élévation dans le balayage de typique du volume radar, permettant une surveillance verticale plus complète.. La stratégie MRLE fut déployée de manière non opérationnelle au printemps 2018 et pourrait devenir opérationnelle si elle s'avère utile.
Programme de prolongation de la durée de vie
Lancé le , le programme de prolongation de la durée de vie des radars, représente un effort considérable pour maintenir et maintenir le réseau NEXRAD en état de fonctionnement le plus longtemps possible. Ces améliorations comprennent les mises à niveau du processeur de signaux, du piédestal, de l'émetteur et des abris d'instrumentation. Le programme devrait s'achever en 2022, ce qui coïncide avec le début de la mise en œuvre à l'échelle nationale d'un réseau de radars à commande de phase à multifonctions (MPAR)..
Futur
Depuis 2003, un radar tridimensionnel à balayage électronique, acheté à la marine américaine par le service météo est mis à l'essai pour évaluer l'utilité de ce concept dans la détection des précipitations. L'avantage de ce type d'antenne est d'obtenir un sondage de l'atmosphère dans un temps beaucoup plus rapide qu'avec une antenne conventionnelle, permettant de voir l'évolution des orages avec une résolution temporelle grandement supérieure. Comme ces derniers peuvent changer de caractéristiques très rapidement et donner du temps violent, l'espoir est de pouvoir mieux anticiper le déclenchement des phénomènes violents (tornade, grêle, pluie torrentielle et rafales descendantes) et ainsi améliorer les préavis d'alertes météorologiques.
On estime qu'il faudra de 10 à 15 ans pour achever les recherches et faire les plans pour construire une nouvelle génération de radars météorologiques utilisant ce principe qui pourraient donner un sondage complet en moins de 5 minutes. Le coût estimé de cette expérience est de 25 millions USD.
Stratégies de sondage L'antenne des WSR-88D est contrôlée par un système électronique très flexible qui permet de choisir plusieurs vitesses et nombres d'angles de sondage. La stratégie de sondage est choisie selon le type de cibles et selon la situation météorologique. En effet, dans le cas où aucunes précipitations ne sont présentes, le météorologiste est plus intéressé à connaître la présence de brise de mer ou de cibles biologiques, comme les oiseaux en migrations, ce qui nécessite un balayage à basse altitude et très lent. D'autre part, dans le cas d'orages, il veut avoir des données en trois dimensions de ces derniers.
Le réseau NEXRAD fonctionne donc en deux modes. : Le mode dit air clair, en rotation très lente et avec un très grand nombre d'impulsions par degrés, lorsqu'il n'y a pas ou très peu de précipitations pour en tirer la structure des vents dans la couche près du sol. Les modes précipitations en rotation plus rapide et avec plus d'angles d'élévation, pour suivre les zones de pluie, orages, etc.
Ces stratégies de sondage sont appelées Volume Coverage Patterns (VCP) pour patrons de couverture volumique. Il existe six stratégies définies dans les programmes des NEXRAD jusqu'en 2017. L'ordinateur de contrôle change d'un à l'autre automatiquement selon l'intensité et la couverture des échos détectés. Les météorologistes peuvent également changer manuellement vers un VCP donné. Chaque VCP comporte un nombre d'angle, une vitesse de rotation, une largeur d'impulsion et un mode de transmission/réception particulier.
VCP Temps de sondage(min) Angles sondés (°) Utilisation Commentaires1150,5, 1,5, 2,4, 3,4, 4,3, 5,3, 6,2, 7,5, 8,7, 10, 12, 14, 16,7, 19,5Averses ou orages, spécialement près du radarMeilleure couverture volumique1240,5, 0,9, 1,3, 1,8, 2,4, 3,1, 4,0, 5,1, 6,4, 8,0, 10,0, 12,5, 15,6, 19,5Averses ou orages, surtout à plus longue portéeEmphase sur les angles qui couvrent les bas niveau des nuages convectifs1215,50,5, 1,5, 2,4, 3,4, 4,3, 6,0, 9,9, 14,6, 19,5Quand de nombreux orages avec mésocyclones sont dans la couverture radar, lors de système tropicaux ou quand une meilleure résolution de vitesse est nécessaireBalaie les bas niveaux plusieurs fois et à des taux de répétitions des impulsions différents pour une meilleure résolution Doppler2160,5, 1,5, 2,4, 3,4, 4,3, 6,0, 9,9, 14,6, 19,5Précipitations de bas niveauUtilisé pour les précipitations stratiformes, rarement pour la convection car trop lent entre les volumes31100,5, 1,5, 2,5, 3,5, 4,5Détection des frontières subtiles entre masses d'air ou la neige de bas niveauImpulsion longue32100,5, 1,5, 2,5, 3,5, 4,5Sondage lent ce qui augmente la sensibilité et réduit l'usure de l'antenne. Utilisation pour la détection en air clair des vents et des cibles biologiquesImpulsion courte