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NEXRAD（次世代レーダー）は、米国商務省傘下の米国海洋大気庁（NOAA）傘下の国立気象局（NWS）、運輸省傘下の連邦航空局（FAA）、国防省傘下の米国空軍が運用する、159基の高解像度Sバンドドップラー気象レーダーのネットワークです。正式名称はWSR - 88D （気象監視レーダー、1988年、ドップラー）です。
NEXRADは降水と大気の動き、または風を検知します。処理されたデータはモザイクマップに表示され、降水パターンとその動きを示します。レーダーシステムは、オペレーターが選択できる2つの基本モードで動作します。1つは、エリア内の活動がほとんどまたはまったくない場合に空気の動きを分析するための低速スキャンによる晴天モード、もう1つは、活発な気象を追跡するための高速スキャンによる降水モードです。NEXRADは、アルゴリズムの使用や自動ボリュームスキャンなど、自動化に重点を置いています。
1970年代、米国商務省、国防総省、運輸省は、それぞれの作戦上のニーズによりよく対応するためには、既存の国家レーダー網を更新する必要があるという点で合意した。このレーダー網は、 1957年に開発されたWSR-57と、 1974年に開発されたWSR-74で構成されていた。どちらのシステムも、風速と風向の情報を提供するドップラー技術を採用していなかった。
ドップラーレーダーを用いた激しい雷雨や竜巻の識別の有用性を研究するため、 1976年に国立激しい嵐研究所（NSSL）で合同ドップラー運用プロジェクト（JDOP）が設立されました。国立気象局と米国空軍の航空気象局が実施したその後の3年間の試験により、ドップラーレーダーは激しい雷雨の早期発見を大幅に改善することが分かりました。JDOPを含むワーキンググループは、全国気象レーダーネットワークの開発と運用に関する概念をまとめた論文を発表しました。1979年には、提案されたNEXRADレーダーネットワークの開発と展開を進めるため、NEXRAD合同システムプログラムオフィス（JSPO）が設立されました。同年、NSSLはNEXRADシステムの開発に関する正式な報告書を完成させました。[ 1 ] [ 2 ]
レーガン政権に提案が提出された際、レーダーシステムの構築には2つの選択肢が検討された。1つは、以前に開発されたプロトタイプレーダーの設計図に基づいて企業入札でシステムを構築すること、もう1つは、あらかじめ定められた仕様を使用して独自のシステムを構築する請負業者を探すことである。JSPOグループは、国家ネットワークで使用されるレーダーを開発および製造する請負業者を選定することを選択した。レイセオンとユニシスによって開発されたレーダーシステムは1980年代にテストされた。しかし、将来の請負業者が独自のモデルを開発できるようになるまで4年かかった。ユニシスが請負業者として選定され、1990年1月に本格的な生産契約を獲得した。[ 1 ] [ 2 ]
運用プロトタイプの設置は、1990 年秋にオクラホマ州ノーマンで完了しました。日々の予報に運用するための WSR-88D の最初の設置は、 1992 年 6 月 12 日にバージニア州スターリングで行われました。設置プログラムの一環として最後に展開されたシステムは、 1997 年 8 月 30 日にインディアナ州ノースウェブスターに設置されました。2011年に、ワシントン州ラングレーヒルに新しいラングレーヒル NEXRAD が追加され、その地域の太平洋沿岸をより良くカバーできるようになりました。[ 3 ]初期設置後、インディアナ州エバンズビルとアーカンソー州フォートスミスでも、他のレーダーがカバーのギャップを埋めました。サイトの位置は、悪天候時にいずれかのレーダーが故障した場合にレーダー間で重複したカバーを提供するように戦略的に選択されました。可能な限り、保守技術者が迅速にアクセスできるように、NWS 気象予報事務所 (WFO) と併設されました。[ 4 ]
NEXRADレーダーは、従来使用されていたレーダーシステムに比べて多くの改良が加えられていました。新しいシステムはドップラー速度を提供し、さまざまなスキャン角度で嵐の中に存在する回転を検出することで竜巻の予測能力を向上させました。解像度と感度が向上したことで、オペレーターは寒冷前線、雷雨突風前線、メソスケールから嵐規模の雷雨の特徴など、これまでレーダーでは見えなかった特徴を見ることができるようになりました。NEXRADレーダーはまた、大気の体積スキャンを提供し、オペレーターが嵐の垂直構造を調べることができ、レーダーサイトから数キロメートル上空の詳細な風情報を提供することで風速プロファイラーとしても機能しました。レーダーの探知範囲も大幅に拡大され、レーダーサイトからずっと遠く離れた場所で気象現象を検出できるようになりました。[ 5 ]
WSR-88Dの開発、保守、訓練は、オクラホマ州ノーマンにあるオクラホマ大学ウェストハイマー空港（KOUN）の敷地内にあるNEXRADレーダー運用センター（ROC）によって調整されている。 [ 6 ]
ルイジアナ州モンローにあるルイジアナ大学モンロー校は、 「WSR-88Dクローン」レーダーを運用しており、シュリーブポート、リトルロック、ジャクソンにある国立気象局の地方事務所が、ルイジアナ州北東部、アーカンソー州南東部、ミシシッピ州西部におけるNEXRADの観測網の空白を埋めるために利用している。しかし、このレーダーがNEXRADネットワークの一部であるかどうかについては議論がある。
標準の WSR-88D は、 S バンドで動作し、周波数は約 2800 MHz、中央給電パラボラアンテナを使用した場合の 典型的なゲインは約 53 dB です。パルス繰り返し周波数 (PRF) は 318 から 1300 Hz まで変化し、クライストロン出力での最大出力は 700 kW ですが、これはオペレーターが選択したボリューム カバレッジ パターン (VCP) に依存します。すべての NEXRAD は、ディッシュ直径が 9.1 m (30 ft)、開口直径が 8.5 m (28 ft) です。所定の VCP を使用すると、NEXRAD の従来の仰角の最小値と最大値は 0.1 度から 19.5 度までですが、非動作時の最小値と最大値は -1 度から +45 度までです。前身のWSR-74とは異なり、アンテナをオペレーターが手動で操縦することはできません。 WSR-88DレベルIデータは、デジタル受信機の記録出力です。[ 7 ]空間分解能はデータタイプとスキャン角度によって異なり、レベルIIIデータは方位角1度×1kmの分解能を持ち、一方、超高解像度レベルII（2008年に全国的に導入）は仰角2.4度以下で方位角0.5度×250mの分解能を持ちます。[ 8 ]
NEXRADレーダーシステムは、あらかじめ決められた複数のスキャンパターンのいずれかを使用して、3次元データベースを継続的に更新します。これらのパターンは、それぞれの用途に合わせて異なるPRFを持ちますが、すべて一定の解像度を持ちます。システムは大気を3次元でサンプリングするため、必要な出力に応じて変更できる変数が多数あります。従来のすべてのVCPでは、アンテナは仰角で最大19.5度、最小0.5度でスキャンし、沿岸サイトの中には0.2度以下までスキャンするものもあります。仰角のカバー範囲が不完全なため、すべてのNEXRADレーダーで「沈黙の円錐」として知られる現象が発生します。[ 9 ]この用語は、レーダーサイトの真上をカバーしていないことを表しています。
現在、NWSの気象予報士が利用できるボリュームカバレッジパターン（VCP）は7種類あり、8種類目が既存の7種類のうちの1つを置き換える形で開発が進められています。各VCPは、アンテナの回転速度、仰角、送信パルスの繰り返し周波数、パルス幅を制御する一連の事前定義された指示です。レーダーオペレーターは、発生している気象の種類に基づいて、これらのVCPの中から選択します。
各NEXRADサイトで現在使用されている具体的なVCPは入手可能です。[ 15 ]
2008 年 3 月から 8 月にかけてすべてのレベル II データとともに展開された[ 16 ]スーパー解像度アップグレードにより、レーダーははるかに高解像度のデータを生成する能力を獲得しました。従来の解像度では、WSR-88D は460 km (290 mi)の範囲で1 km (0.62 mi ) × 1 度の反射率データと、230 km (140 mi)の範囲で0.25 km (0.16 mi ) × 1 度の速度データを提供します。スーパー解像度では、 0.25 km (0.16 mi) × 0.5 度のサンプルサイズで反射率データを提供し、ドップラー速度データの範囲を300 km (190 mi)に拡大します。当初、解像度の向上は低いスキャン仰角でのみ利用可能です。スーパー解像度は、解像度の大幅な向上と引き換えに、わずかにノイズ低減を犠牲にしています。[ 17 ]
方位角分解能の向上により、竜巻を伴うメソスケール回転を検出できる範囲が広がります。これにより、警報のリードタイムが短縮され、レーダーの有効範囲が拡大します。方位角と距離の両方における分解能の向上により、このような回転の詳細度が高まり、嵐のより正確な表現が可能になります。スーパーレゾリューションは、検出された降水やその他のメソスケールの特徴の詳細度を高めるだけでなく、他の激しい嵐の分析に役立つ追加の詳細度も提供します。スーパーレゾリューションは速度データの範囲を拡大し、以前よりも高速にデータを提供するため、竜巻の検出とそれに続く警報のリードタイムを短縮できます。[ 18 ]
全米のWSR-88Dサイトは偏波レーダーにアップグレードされ、従来の水平偏波レーダー波に垂直偏波を追加することで、信号を反射しているものをより正確に識別できるようになりました。このいわゆる二重偏波により、レーダーは雨、雹、雪を区別できますが、水平偏波レーダーでは正確に区別できません。初期の試験では、雨、氷粒、雪、雹、鳥、昆虫、地表のクラッターはすべて二重偏波で異なる特徴を示し、冬の嵐や激しい雷雨の予報が大幅に改善される可能性があることが示されました。[ 19 ]二重偏波機能（ビルド12）のNEXRADサイトへの展開は2010年に始まり、2013年の夏までに完了しました。オクラホマ州エニドのバンス空軍基地のレーダーは、二重偏波技術を利用するように改造された最初の運用中のWSR-88Dでした。改造されたレーダーは2011年3月3日に運用を開始しました。[ 20 ]
NEXRAD システムが最初に実装されたとき、レーダーは、最も高いスキャン角度に降水がない場合でも、ボリューム カバレッジ パターン内のすべてのスキャン角度を自動的にスキャンしました。その結果、悪天候がレーダー サイトから遠い場合、予報官は可能な限りタイムリーな悪天候警報を提供できないことが多かったのです。自動ボリューム スキャン評価および終了 (AVSET) アルゴリズム[ 21 ]は、より高いスキャン角度での降水が設定されたしきい値 (約 20 dBZ) を下回るとボリューム スキャンを直ちに終了することで、この問題を解決します。これにより、多くの場合、1 時間あたりのボリューム スキャンを増やすことができ、ハードウェアのアップグレードを必要とせずに悪天候の検出を改善できます[ 22 ] [ 23 ] AVSET は、2011 年秋の RPG ビルド 12.3 で最初に展開されました。
WSR-88D レーダー システムの主な弱点の 1 つは、特に悪天候時にベース (0.5 度) スキャンの頻度が不足していたことです。予報官や自宅でテレビを見ている人は、4 分または 5 分前の画像にしかアクセスできず、不正確な情報しか得られませんでした。自宅でテレビを見ている人は、竜巻が実際よりも遠くにあるという誤った安心感に陥り、嵐の進路にいる住民を危険にさらす可能性がありました。2014 年前半にビルド 14 で導入された補助適応型ボリューム内低レベル スキャン (SAILS) 技術により、オペレーターは通常のボリューム スキャンの途中で追加のベース スキャンを実行するオプションを利用できます。[ 24 ] VCP 212 で 1 つの SAILS カットがアクティブになっている場合、ベース スキャンは約 2 分 30 分ごとに実行され、AVSET がボリューム スキャンを早期に終了すると、更新頻度が高くなります。
補足適応型ボリューム内低レベルスキャン用複数仰角スキャンオプション（MESO-SAILS）は、SAILS の拡張機能であり、レーダー オペレーターの要求に応じて、ボリューム スキャン中に 1 つ、2 つ、または 3 つの追加のベース スキャンを実行できます。[ 12 ] 2013 年 6 月、レーダー運用センターは、ボリュームごとに 2 つの追加の低レベル スキャンを追加する SAILSx2 を初めてテストしました。これは約 4.5 時間実行され、テスト中に電子技術者が台座/アンテナ アセンブリの動作を観察しました。過度の摩耗は確認されませんでした。2 日後、ボリュームに 3 つの追加の低レベル スキャンを追加する SAILSx3 が実行されました。この 1.5 時間の SAILSx3 テスト中、ROC レーダー ハードウェア エンジニアが ROC 電子技術者に同行してアンテナ/台座アセンブリを観察しました。ここでも過度の摩耗は確認されませんでした。[ 25 ] MESO-SAILSは2016年春にビルド16.1で展開されました。
低高度高度の中規模再スキャン（通称MRLE ）は、 WSR-88D用の動的スキャンオプションであり、2014年春にNEXRAD RPG 14.0に実装された別のスキャンオプションであるMESO-SAILS [ 26 ]から派生したものです。[ 27 ]
準線形対流系(QLCS)、通称スコールラインでは、地上 4,000 ～ 8,000 フィートで発生するメソ渦の検出は、 SAILSカットでは必ずしも可能ではありません。これは、ベース 0.5 度のスキャンが、レーダーに近い距離で形成されるメソ渦の下を通過するためです。MRLEは、通常のボリューム スキャンの中間で、2 つ、3 つ、または 4 つの最も低いスキャン アングルを連続してスキャンし、QLCS イベント中のメソ渦の形成をより頻繁に監視できるようにします。[ 29 ] MRLE は、2018 年春に RPG 18.0 で非運用ベースで展開され、有用または重要であることが証明された場合は、RPG 19.0 で運用展開される可能性があります。
レーダー運用センターは、RPG 18.0 の構築とともに、2017 年 10 月に非運用ベースで展開を開始する予定でした。スキャン オプションは、ボリューム カバレッジ パターン 21、12、212、および 215 でのみ使用できます。 [ 30 ]警告の伝達に関して重要であることが証明された場合、MRLE は 2018 年に予定されている RPG 18.0 とともに全国的に運用展開されます。
MRLE の概念は、準線状対流系(QLCS)における低層スキャンの頻度増加の必要性から生まれたものです。QLCS では、線に沿った地点で短時間で目立たないメソ渦が発生することは珍しくありません。 [ 31 ]レーダーデータのタイミングの悪さやボリューム全体の完了に時間がかかるため、これらの渦は警告や事前通知なしに発生することがよくあります。MRLE では、オペレーターは 2 回から 4 回までの低層スキャンを選択できます。1つの角度でスキャンし、ボリュームごとに最大 3 回までしか低層スキャンを実行できないMESO-SAILSとは異なり、MRLE は 4 つの可能な角度でスキャンし、オペレーターの選択に応じてボリュームを最大 4 回まで切り分けることができます。角度とそれぞれのスキャン周波数は次のとおりです。
オペレーターはMESO-SAILSとMRLEを同時に使用することはできません。どちらか一方が選択されている状態で他方がアクティブな場合、NEXRADアルゴリズムは自動的に他方を「オフ」にします。
2013年3月13日に開始されたサービス寿命延長プログラム（SLEP）は、現在のNEXRADネットワークを可能な限り長く稼働状態に保つための大規模な取り組みです。これらの改善には、信号プロセッサのアップグレード、台座のアップグレード、送信機のアップグレード、シェルターのアップグレードが含まれます。このプログラムは2022年までに完了する予定であり、これは多機能フェーズドアレイレーダーの全国的な導入開始時期と一致します（下記参照）。[ 33 ]
WSR-88Dは、地形や予算上の理由、あるいは地域の僻地性などにより、米国の多くの地域で高度10,000フィート以下（または全く通信できない）の通信空白地帯を抱えています。こうした顕著な空白地帯には、アラスカの大部分、オレゴン州のいくつかの地域（中央部と南部の海岸、カスケード山脈の東側の大部分を含む）、ロッキー山脈の多くの地域、サウスダコタ州ピエール、テキサス州北部の一部、ネブラスカ州パンハンドルの大部分、フォーコーナーズ地域、ミネソタ州ノースウエストアングル周辺、バーモント州コネチカット川付近、オクラホマ州とテキサス州パンハンドルの境界付近などが含まれます。特に注目すべきは、これらの空白地帯の多くがトルネード・アレイに位置していることです。このような観測範囲の空白のため、少なくとも1つの竜巻がWSR-88Dによって検出されなかった。 2014年4月にテキサス州ラブレディで発生したEF1竜巻である。観測範囲の空白のため、竜巻活動に関する最初の報告は、地元の国立気象局予報事務所によって懐疑的に扱われた。[ 34 ] [ 35 ]
レーダーの故障時にも、特に重複するカバー範囲がほとんどない地域では、カバー範囲の空白が生じる可能性があります。たとえば、2013 年 7 月 16 日に発生したハードウェアの故障により、ニューヨーク州オールバニー地域では 8 月上旬まで続く通信障害とカバー範囲の空白が発生しました。[ 36 ]
ノースカロライナ州でのレーダー網の空白が、リチャード・バー上院議員にS.2058（2015年大都市圏気象災害保護法としても知られる）の提案を促した。この法律は、人口70万人以上の都市は 地上6,000フィート未満にドップラーレーダーの監視範囲を設けることを義務付けている。[ 37 ]この法案は上院 を通過したが、下院委員会で廃案となった。[ 38 ]
1997年に生産ラインが停止され、国立気象局には生産を再開するのに十分な予算がないため、追加のWSR-88Dが配備される可能性は低い。[ 35 ] 2011年には、ワシントン州南西部のラングレーヒルレーダーが設置されたことで、既知のカバー範囲のギャップが埋められた。このレーダーは、米国空軍キースラー空軍基地訓練センターのNEXRADメンテナンスコースの資産からNEXRADプログラムに寄贈された2つのシステムの1つである。このレーダーの機会は、ワシントン大学のクリフ・マス教授が主導した広報キャンペーンによって先導され、2016年10月にオレゴン州マンザニータで発生したEF-2竜巻に対するオレゴン州ポートランドのNWS事務所によるタイムリーな警報の発令に役立ったと考えられる。
2021年、ルイジアナ州スライデルにある国立気象局事務所は、同事務所のNEXRADをスライデルの事務所ビルから西のハモンドに2022年末に移転すると発表した。新しい場所では、仰角が低くなるだけでなく、バトンルージュ地域の嵐の活動をより低い高度で監視できるようになり、最低サンプリング高度は地表から4000～6000フィートから300～600フィートに下がる。[ 39 ]
プエルトリコのカエイにあるNEXRADサイトは、2017年9月にハリケーン・マリアがこの地域を通過した際に破壊されました。[ 40 ]一時的に機能しなくなったものの最終的には生き残った近隣のターミナルドップラー気象レーダー（TDWR）サイトに加え、国防総省はFAAが管理するNEXRADサイトが復旧するまでレーダー監視を行うため、島に2つの短距離Xバンドレーダーを配備しました。 [ 41 ] 2018年6月、このNEXRADレーダーサイトは完全に機能する状態に復旧し、複数の避雷針で補強され、3,000本以上のボルトを使用したより頑丈なグラスファイバードームで固定されました。[ 42 ]
2020年8月27日、ルイジアナ州レイクチャールズにあるNEXRADレーダーサイトは、ハリケーン・ローラの目が上陸後にサイト上空を通過した際に破壊されました。カテゴリー4のハリケーン・ローラは、市内で最大瞬間風速約135mph （217km /h）を記録しました。レイクチャールズのサイトが再建されるまで、ヒューストン、シュリーブポート、フォートポークにあるNEXRADレーダーが、ルイジアナ州南西部の一部のレーダーカバーの空白を埋めるために使用されました。また、NWSレーダー運用センターは、10月下旬にハリケーン・ローラとほぼ同じ進路をたどってこの地域に接近するハリケーン・デルタに関する補足的なレーダーデータを提供するために、オクラホマ大学から貸与されたSMART-R車両を配備しました。[ 43 ] [ 44 ] [ 45 ]レイクチャールズNEXRADレーダーサイトの運用サービスは、4か月間、165万ドルの再建プロジェクトを経て、2021年1月に復旧した。このプロジェクトには、レーダードームと内部機器の交換、および基地のレーダードーム台座、タワー、フェンス、機器シェルターの修理が含まれていた。[ 46 ]
2023年5月24日、グアム島にあるNEXRADレーダーサイトは、カテゴリー4の台風マワールの目が島の北端を通過した際に被害を受けた。当初は復旧して運用を再開したが、その後も問題が続き、2024年4月24日現在、NOTAMでは「使用不能」と報告されている。[ 47 ]
2023年8月1日、那覇にあるNEXRADレーダーサイトは台風カヌンによって破壊された。台風はアンテナとレドームを破壊し、使用不能にした。[ 48 ] 2024年11月25日に廃止された。[ 49 ]
国立気象局は、WSR-88Dシステムの今後の改良点のリストを保持しています。[ 50 ]
二重偏波を超えて、フェーズドアレイレーダーの登場は、おそらく悪天候の検出における次の大きな進歩となるでしょう。広範囲を迅速にスキャンできるその能力は、レーダー気象学者に大きな利点をもたらします。[ 51 ]また、既知および未知の航空機を3次元で追跡できる能力により、フェーズドアレイネットワークは現在の航空路監視レーダーネットワークを同時に置き換えることができ、米国政府は維持費を数十億ドル節約できます。[ 51 ] [ 52 ]国立激甚気象研究所は、フェーズドアレイシステムが最終的に現在のWSR-88Dレーダー送信機のネットワークに取って代わると予測しています。[ 53 ]
NEXRAD データはさまざまな方法で使用されます。国立気象局の気象学者によって使用され、(米国法の規定に基づき)研究者、メディア、一般市民など、NWS 以外のユーザーにも無料で提供されます。NEXRAD データの主な目的は、NWS の気象学者が運用上の予報を行うのを支援することです。このデータにより、降水量を正確に追跡し、その発達と進路を予測することができます。さらに重要なのは、気象学者が激しい気象現象や竜巻を追跡し、予測できることです。地上からの報告と組み合わせることで、竜巻や激しい雷雨の警報を発令し、危険な嵐について一般市民に警告することができます。NEXRAD データは、降雨量に関する情報も提供し、水文予報にも役立ちます。データは、さまざまな形式で一般に提供され、最も基本的な形式は、NWS の Web サイトに掲載されるグラフィックです。データは、似ているが異なる 2 つの生データ形式でも入手できます。NWS から直接入手できるレベル III データは、解像度を下げた低帯域幅の基本製品と、派生した多くの後処理済み製品で構成されています。レベル II データは基本製品のみで構成されますが、元の解像度のままです。帯域幅のコストが高いため、レベル II データは NWS から直接入手できません。NWS はこのデータをAmazon Web Services [ 54 ] [ 55 ]やいくつかのトップレベルの大学に無料で配布しており、これらの大学がさらにデータを民間組織に配布しています。[ 56 ]
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