ネクサド

ネクサド

ウィスコンシン州ラクロス付近のNEXRADレーダー
原産国	アメリカ合衆国
紹介された	1988 （1988年）
建造数	米国、プエルトリコ、グアムに159機、さらにネットワークに含まれない日本に1機、韓国に2機のWSR-88Dが3機ある。
タイプ	気象レーダー
頻度	2,700～3,000MHz（Sバンド）
広報	320～1,300 Hz（VCPによる）
ビーム幅	2.7GHzで0.96°、 3.0GHzで0.88°
パルス幅	1.57～4.57μs（VCPによる）
回転数	3
範囲	反射率460 km ドップラー速度230 km
直径	8.54メートル（28.0フィート）
方位角	0～360度
標高	-1° ～ +20° (動作)、 最大 +60° (テスト)
力	750 kW
その他の名前	WSR-88D

NEXRADまたはNexrad（次世代レーダー）は、米国 商務省内の米国海洋大気庁（NOAA）、運輸省内の連邦航空局（FAA）、および国防総省内の米国空軍の機関である国立気象局（NWS）によって運用されている159台の高解像度Sバンドドップラー気象レーダーの ネットワークです。その技術名称はWSR - 88D（気象監視レーダー、1988年、ドップラー） です。

NEXRAD は降水量と大気の動きまたは風を検出します。このデータを処理すると、降水量とその動きのパターンを示すモザイクマップに表示できます。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、そのエリアで活動がほとんどまたはまったくない場合の空気の動きを分析するための低速スキャンの晴天モード、もう 1 つは活動的な天候を追跡するための高速スキャンの降水モードです。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、運用上のニーズにさらに応えるために、既存の国家レーダー ネットワークを置き換える必要があると合意しました。このレーダー ネットワークは、 1957 年に開発されたWSR-57と、 1974 年に開発されたWSR-74で構成されていました。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ませんでした。

合同ドップラー運用プロジェクト (JDOP) は、1976 年に国立暴風雨研究所(NSSL) で結成され、激しい雷雨や竜巻を伴う雷雨を識別するためのドップラー気象レーダーの有用性を研究しました。その後 3 年間にわたって国立気象局と米国空軍の航空気象局によって実施されたテストでは、ドップラー レーダーによって激しい雷雨の早期検出が大幅に改善されたことがわかりました。JDOPを含む作業グループは、国家気象レーダー ネットワークの開発と運用の概念を示す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に、NEXRAD 合同システム プログラム オフィス (JSPO) が結成されました。その年、NSSL は NEXRAD システムの開発に関する正式なレポートを完成させました。^{[1] [2]}

レーガン政権に提案が提出されたとき、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にシステムの構築を許可するか、請負業者に所定の仕様を使用して独自のシステムを構築するよう求めることであった。JSPOグループは、全国ネットワークに使用されるレーダーの開発と製造を行う請負業者を選択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するには4年かかった。ユニシスが請負業者として選ばれ、1990年1月に本格的な製造契約を獲得した。^{[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。毎日の予報に運用される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配備された最後のシステムは、 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年には、その地域の太平洋岸をよりよくカバーするために、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が追加されました。 ^[3]他のレーダーも、最初の設置に続いて、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のカバー範囲のギャップを埋めました。 ^{[要出典]サイトの場所は、}悪天候時に1つのレーダーが故障した場合に備えて、レーダー間のカバー範囲が重複するように戦略的に選択されました。可能であれば、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）と同じ場所に設置されました。^[4]

NEXRADレーダーは、以前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た。新しいシステムはドップラー速度を提供し、異なるスキャン角度で嵐内の回転を検出することで竜巻の予測能力を向上させた。解像度と感度が向上し、オペレーターは寒冷前線、雷雨 突風前線、そしてこれまでレーダーでは見えなかった雷雨のメソスケールから嵐スケールの特徴までを見ることができるようになった。NEXRADレーダーは大気の体積スキャンも提供し、オペレーターは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プロファイラーとして機能することができた。また、レーダーの範囲も大幅に拡大し、レーダーサイトからより遠く離れた場所の気象現象も検出できるようになった。^[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ます。 ^[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、これはシュリーブポート、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で、ルイジアナ北東部、アーカンソー南東部、ミシシッピ西部の NEXRAD カバー範囲の欠落部分を埋めるために使用されている。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は議論の余地がある。

標準の WSR-88D はS バンドで動作し、周波数は約 2800 MHz で、センター給電パラボラアンテナを使用した場合の標準的なゲインは約 53 dB です。パルス繰り返し周波数 (PRF) は 318 ～ 1300 Hz で、クライストロン出力での最大出力は 700 kW ですが、オペレータ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 の皿の直径は 9.1 m (30 フィート)、開口部の直径は 8.5 m (28 フィート) です。事前に決定された VCP を使用すると、NEXRAD の仰角の最小値と最大値は 0.1 ～ 19.5 度の範囲になりますが、非動作時の最小値と最大値は -1 ～ +45 度になります。前身のWSR-74とは異なり、オペレータが手動でアンテナを操作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]空間解像度はデータタイプとスキャン角度によって異なります。レベルIIIデータの解像度は方位角1km×1度ですが、超解像度レベルII（2008年に全国で導入）は、仰角2.4度以下の方位角で250m×0.5度の解像度です。^[8]

NEXRAD レーダー システムは、あらかじめ決められたスキャン パターンの 1 つを使用して、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 を持っていますが、解像度はすべて一定です。システムは 3 次元で大気を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 VCP では、アンテナは最大 19.5 度の仰角でスキャンし、最小 0.5 度でスキャンします。一部の沿岸サイトでは 0.2 度以下でスキャンします。仰角のカバレッジが不完全であるため、すべての NEXRAD レーダーで「沈黙の円錐」と呼ばれる現象が発生します。^[9]この用語は、レーダー サイト直上のカバレッジが不足していることを意味します。

現在、NWS の気象学者が利用できるボリューム カバレッジ パターン (VCP) は 7 つあり、既存の 7 つのうち 1 つを 8 つ目に置き換える作業が進行中です。各 VCP は、アンテナの回転速度、仰角、送信機のパルス繰り返し周波数、およびパルス幅を制御する、定義済みの一連の命令です。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 VCP を選択します。

• 晴天または小雨: VCP 31、32、35
• 浅い降水量: VCP 35、112、215
• 非熱帯対流: VCP 12、212、および 215
• 熱帯システム対流：VCP 212、215、112、121 ^{[10] [11]}

現在各NEXRADサイトで使用されている特定のVCPが利用可能です。^[15]

2008 年 3 月から 8 月にかけてレベル II の全データを使用して展開された^[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できるようになりました。従来の解像度では、WSR-88D は 1 km (0.62 mi) x 1 度の反射率データを 460 km (290 mi) の範囲に、0.25 km (0.16 mi) x 1 度の速度データを 230 km (140 mi) の範囲に提供します。スーパー解像度は、サンプル サイズが 0.25 km (0.16 mi) x 0.5 度の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高度でのみ利用できます。スーパー解像度は、ノイズ削減をわずかに減らすことで、解像度を大幅に向上させます。^[17]

方位角解像度の向上により、竜巻の中規模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広がります。解像度の向上（方位角と範囲の両方）により、回転の詳細が増し、嵐のより正確な表現が可能になります。検出された降水量やその他の中規模特徴の詳細が向上するとともに、スーパー解像度は、その他の激しい嵐の分析に役立つ追加の詳細も提供します。スーパー解像度は速度データの範囲を広げ、以前よりも速く提供し、潜在的な竜巻の検出とそれに続く警報のリードタイムも短縮します。^[18]

全国の WSR-88D サイトは、従来の水平偏波レーダー波に垂直偏波を追加した偏波レーダーにアップグレードされ、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、これは水平偏波レーダーでは正確にはできないことです。初期の試験では、雨、氷の粒、雪、雹、鳥、昆虫、地面の乱反射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] NEXRAD サイトへの二重偏波機能 (ビルド 12) 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可能な 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、最高スキャン角度で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、多くの場合、悪天候がレーダー サイトから遠い場合、予報官はできるだけタイムリーに悪天候警報を提供できませんでした。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量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、ハードウェアをアップグレードすることなく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 で最初に導入されました。

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スキャン（0.5度）の頻度が低いことでした。予報官や自宅でテレビを見ている人が見る画像は4、5分前のものが多く、そのため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い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す。2014年前半にビルド14で導入された補足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と、ベーススキャンは約2分半ごとに1回実行され、AVSETがボリュームスキャンを早期に終了した場合は更新頻度が高くなります。

補足アダプティブイントラボリューム低レベルスキャンのための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が要求に応じてボリュームスキャン中に1、2、または3つの追加ベーススキャンを実行できるようにします。^[12] 2013年6月、レーダー運用センターはボリュームあたり2つの追加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、電子技術者がペデスタル/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、アンテナ/ペデスタルアセンブリを観察しました。この場合も、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で導入されました。

低高度のミッドボリューム再スキャン（通称MRLE ）は、 WSR-88Dの動的スキャンオプションであり、MESO-SAILS ^[26]から派生したもので、2014年春にNEXRAD RPG 14.0で実装された別のスキャンオプションです。^[27]

俗にスコールラインと呼ばれる準線状対流システム（QLCS）の発生中、地上4,000～8,000フィートで発生するメソ渦の検出^[28]は、SAILSカットでは必ずしも可能ではない。これは、基本の0.5度スキャンが、レーダーに近い距離でメソ渦の形成の下を移動するためである。MRLEは、典型的な体積スキャンの途中で、2つ、3つ、または4つの最低スキャン角度のいずれかを連続的にスキャンし、QLCSイベント中のメソ渦形成をより頻繁に監視できるようにする。^[29] MRLEは、2018年春にRPG 18.0で非運用ベースで展開される予定であり、有用または重要性が証明されれば、RPG 19.0で運用展開される可能性がある。

レーダー運用センターは、R​​PG 18.0ビルドとともに、2017年10月に非運用ベースで展開を開始すると予想していました。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]警報伝達の点で重要であることが証明された場合、MRLEは2018年に計画されているRPG 18.0を使用して全国的に運用展開します。

MRLEの概念は、準線形対流システム（QLCS）中に低レベルのスキャンをより頻繁に行う必要があることから生まれました。QLCS中は、線に沿ったポイントで、短時間で目立たないメソ渦が発生することも珍しくありません。 ^[31]レーダーデータのタイミングが悪く、ボリューム全体のスキャンを完了するのに時間がかかることから、これらの渦は警告や事前の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回と4回の低レベル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回の低レベルスキャンしか実行できないMESO-SAILSとは異なり、MRLEは4つの角度でスキャンし、オペレーターの選択に応じてボリュームを最大4回カットできます。角度とそれぞれのスキャン頻度は次のとおりです。

• MRLEx2 = 0.5°および0.9°の仰角
• MRLEx3 = 0.5°、0.9°、1.3°の仰角
• MRLEx4 = 0.5°、0.9°、1.3°、1.8°の仰角^[32]

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。一方が選択されているときにもう一方がアクティブな場合、NEXRAD アルゴリズムは自動的にもう一方を「オフ」に設定します。

2013年3月13日に開始されたSLEP（サービス寿命延長プログラム）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、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の開始と一致しています（以下を参照）。^[33]

WSR-88D は、米国本土の多くの地域で 10,000 フィート未満の受信範囲のギャップ (またはまったく受信できない) がありますが、これは多くの場合、地形や予算上の理由、またはエリアの遠隔性によるものです。このような顕著なギャップには、アラスカの大部分、オレゴン州のいくつかの地域(中央および南部の海岸、カスケード山脈の東側の多くの地域を含む)、ロッキー山脈の大部分、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ェストアングル周辺、バーモント州のコネチカット川付近の地域、オクラホマ州パンハンドルとテキサス州パンハンドルの境界付近の地域が含まれます。注目すべきことに、これらのギャップの多くは竜巻街道にあります。このようなカバー範囲のギャップの結果として、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イディで発生したEF1竜巻である。カバー範囲のギャップの結果、竜巻活動の初期報告は地元の国立気象局予報局によって懐疑的に扱われた。^{[34] [35]}

レーダーの停止中にもカバレッジギャップが発生する可能性があり、特にカバレッジがほとんど重複していない地域では顕著です。たとえば、2013年7月16日のハードウェア障害により、ニューヨーク州アルバニー地域では8月上旬までカバレッジギャップが発生しました。^[36]

ノースカロライナ州のレーダーカバー範囲の不足から、リチャード・バー上院議員は2015年大都市気象災害保護法としても知られるS.2058を提案した。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カバー範囲を設けなければならないと定めている。^{[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ための予算が不足しているため、追加のWSR-88Dが配備される可能性は低い。^[35] 2011年に、残っていた最後の予備を使用して、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、既知のカバレッジギャップが埋められました。このレーダーの機会は、ワシントン大学のクリフ・マス教授が率いる一般向けのキャンペーンによって先導され、オレゴン州ポートランドのNWSオフィスが2016年10月にオレゴン州マンザニータで発生したEF-2竜巻に対してタイムリーに警告を発するのに役立ったと思われます。

2021年、ルイジアナ州スライデルにある国立気象局は、 2022年末までに同局のNEXRADをスライデル西のオフィスビルからハモンド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、最低の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]

プエルトリコのカイエイにあるNEXRAD施設は、 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た。^[40]一時的に使用不能になったが最終的には生き残った隣接するターミナル・ドップラー気象レーダー（TDWR）施設に加えて、国防総省はFAAが管理するNEXRAD施設が復旧するまでレーダー監視を行うため、島に2基の短距離Xバンドレーダーを配備した。 ^{[41] 2018年6月、このNEXRADレーダー施設は完全に稼働可能な状態に復旧し、数本の}避雷針で補強され、3,000本以上のボルトを使用したより強力なグラスファイバードームで固定された。^[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、上陸後にカテゴリー4のハリケーン「ローラ」の目が同サイトを通過した際に破壊された。この嵐は、市内で約135mph（217km/h）の突風を記録した。ヒューストン、シュリーブポート、フォートポルクに拠点を置くNEXRADレーダーは、レイクチャールズサイトが再建されるまで、ルイジアナ州南西部の一部のレーダーカバレッジのギャップを埋めるために使用された。NWSレーダー運用センターはまた、オクラホマ大学から借り受けたSMART-R車両を配備し、10月下旬にこの地域への進路（ハリケーンローラとほぼ並行）に先立ち、ハリケーンデルタの補足レーダーデータを提供した。^{[43] [44] [45]}レイクチャールズNEXRADレーダー施設への運用サービスは、レドームと内部機器の交換、およびレードーム台座、タワー、フェンス、機器シェルターの修理を含む4か月間の165万ドルの再建プロジェクトを経て、2021年1月に回復しました。^[46]

2023年5月24日、グアムにあるNEXRADレーダー施設は、カテゴリー4の台風の目が島の北端を通過した際に台風マワールによって被害を受けた。当初は復旧して運用を再開したものの、施設は継続的な問題に悩まされ、2024年4月24日現在、NOTAMで「使用不可」と報告されている。 ^[47] グアムと北マリアナ諸島への気象レーダーの復旧計画は不明である。

アメリカ国立気象局はWSR-88Dシステムの今後の改良点のリストを作成している。^[48]

二重偏波の次に、フェーズドアレイレーダーの登場が、悪天候検知における次の大きな進歩となるだろう。広範囲を迅速にスキャンできる能力は、レーダー気象学者にとって大きな利点となるだろう。^[49]既知および未知の航空機の両方を3次元で追跡する追加機能により、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可能となり、米国政府は数十億ドルのメンテナンス費用を節約できる。^{[49] [50]}国立暴風雨研究所は、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る。^[51]

NEXRAD データは、さまざまな方法で使用されています。このデータは、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、国立気象局以外のユーザーも自由に利用できます。NEXRAD データの主な目的は、国立気象局の気象学者による予報業務を支援することです。このデータにより、気象学者は降水量を正確に追跡し、その発達と進路を予測できます。さらに重要なことは、このデータにより気象学者が悪天候や竜巻を追跡および予測できることです。地上レポートと組み合わせて、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の人々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、水文学的予報にも役立ちます。データはいくつかの形式で一般に公開されていますが、最も基本的な形式は、国立気象局の Web サイトで公開されるグラフです。データは、2 つの類似しているが異なる生の形式でも利用できます。 NWSから直接入手できるのは、低解像度、低帯域幅の基本製品と、派生した多くの後処理製品で構成されるレベルIIIデータです。レベルIIデータは、基本製品のみで構成されていますが、解像度はオリジナルのままです。帯域幅コストが高いため、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 ^{[52] [53]}といくつかのトップクラスの大学に無料で配布しており、これらの大学はデータを民間組織に配布しています。^[54]

• カナダの気象レーダーネットワーク
• オーストラリアの気象レーダー
• 低高度風切警報システム(LLWAS)
• ターミナルドップラー気象レーダー(TDWR)
• 高解像度ラピッドリフレッシュ (HRRR)
• 静止環境衛星

• Atlas, David著『気象学におけるレーダー: Battan Memorial and 40th Anniversary Radar Meteorology Conference 』、アメリカ気象学会発行、ボストン、1990年、806ページ、ISBN 0-933876-86-6、AMSコード RADMET。 
• Tuftedal, Kristofer S. (2016 年 12 月). 竜巻発生のレーダー検出(pdf) (論文). アイオワ州立大学. doi : 10.31274/mteor_stheses-180813-2 . hdl : 20.500.12876/55813 .

ウィキメディア・コモンズには、 WSR-88D NEXRADに関連するメディアがあります。

ドップラー気象レーダーの理論

• NOAA のよくある質問
• Weather Underground によるレーダーに関するよくある質問 (FAQ)
• 「NOAA 社会経済学」ウェブサイト イニシアチブによる NEXRAD の社会的および経済的利点

リアルタイムデータ

• NEXRADリアルタイムデータ
  • 国立レーダー反射率モザイク FAQ は、2011 年 8 月 5 日にNOAA のWayback Machineにアーカイブされています。

研究

• NSSLによるレーダー研究開発