NEXRAD

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 10 cm) pouvant détecter les mouvements des précipitations dans les nuages grâce à l’effet Doppler-Fizeau[3]. 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 rancart par la U.S. Air Force et provenant de la ligne DEW[3]. 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 10 cm à utiliser l'effet Doppler-Fizeau[3]. Les données recueillies par ce radar, et par son compagnon à 40 km 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[4]. 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.

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 radar 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 janvier 1990[5] - [6].

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 12 juin 1992. Pour installer les 160 radars du programme, il fallut un certain temps et le dernier NEXRAD, celui de North Webster (Indiana), date du 30 août 1997. 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[7].

Les recherches du National Weather Service ont permis de mettre en fonction en août 2008 une augmentation de la résolution des données des radars NEXRAD[8]. Cette amélioration permet de faire passer la résolution pour les angles inférieurs (plus bas que 1,5 degré d'élévation)[9] - [10] :

• En réflectivité, de 1 km en portée par 1 degré en azimut à 0,5 km par 0,5 degré jusqu'à 460 km du radar ;
• En vitesse radiale, de 0,25 km en portée par 1 degré en azimut jusqu'à 230 km à 0,25 km par 0,5 degré et la portée maximale à 300 km.

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[11].

Radar conventionnel à polarisation horizontale

Radar à double polarisation

De 2010 à avril 2013, les radars du réseau NEXRAD sont mis à niveau pour émettre simultanément des faisceaux radars polarisés verticalement et horizontalement[12]. 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[13]. Ceci fait suite à un programme initié en 2000 appelé Joint Polarization Experiment (JPOLE) qui a servi à prouver l'utilité de ces données.

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[14]. 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[15].

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[14].

Avec les lignes de grain, la détection des mésocyclones qui prennent souvent naissance entre 4 000 pieds (1 km) et 8 000 pieds (2 km) au-dessus du sol n’est pas toujours possible avec les coupes SAILS mentionnés ci-dessus[16]. En effet, l'angle de bas de base à 0,5 degré 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[17]. La stratégie MRLE fut déployée de manière non opérationnelle au printemps 2018 et pourrait devenir opérationnelle si elle s'avère utile.

Lancé le 13 mars 2013, 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)[18].

• David Atlas, Radar in Meteorology: Battan Memorial and 40th Anniversary Radar Meteorology Conference, publié par l'American Meteorological Society, Boston, 1990, 806 pages, (ISBN 0-933876-86-6), AMS Code RADMET.

• National Weather Service
• National Severe Storms Laboratory

• Pour l'ensemble des points mentionnés sur cette page : voir sur OpenStreetMap (aide) ou télécharger au format KML (aide).
• (en) Accès aux données en temps réel à tous les radars NEXRAD

Informations supplémentaires en anglais

• (en) Frequently Asked Questions par Cooperative Institute for Mesoscale Meteorological Studies et NSSL
• (en) Doppler Radar Frequently Asked Questions par National Weather Service
• (en) National Radar Reflectivity Mosaic FAQ's par NWS
• (en) Radar Frequently Asked Questions par Weather Underground