レーダーの基礎とドップラーシフト

NEXRAD（次世代レーダー）は、返ってきたエネルギーをもとに気象情報（降水や風）を取得するものです。 レーダーはエネルギーバースト（アニメーション画像の緑色）を放出します。 そのエネルギーが物体（雨粒、雪片、あられ、虫、鳥など）に当たると、エネルギーは四方に散乱します（青色）。 注：レーダーに向かって直接散乱して戻ってくるのは、放出されたエネルギーのごく一部です。

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この反射信号は、聴取時間中にレーダーで受信されます。 コンピュータは、返ってきたパルスの強さ、物体までの往復時間、パルスの位相（ドップラーシフト）を解析する。 信号を出し、戻ってきた信号を聞き、次の信号を出すというこのプロセスは非常に速く、毎秒約1300回行われます！

NEXRADは、送った信号が戻ってこないか「聞く」ことに膨大な時間を費やしています。 毎時のすべてのパルスの時間（レーダーが実際に送信している時間）を合計すると、レーダーが「オン」になっている時間は毎時約7秒になります。 残りの59分53秒は、戻ってきた信号を聞くのに費やされる。

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エネルギーパルスの「位相のずれ」を検出する能力により、NEXRADはドップラーレーダーとなる。 帰ってくる信号の位相は、通常、雨粒（または虫やほこりなど）の動きに基づいて変化します。 このドップラー効果は、発見したオーストリアの物理学者、クリスチャン・ドップラーにちなんで名付けられました。

電車が通過するとき、汽笛の音が高くなったり低くなったりすることにお気づきでしょうか。 列車が近づくと、汽笛を構成する音波が圧縮され、列車が停止しているときよりも音程が高くなります。 同様に、列車が遠ざかると、音波は引き伸ばされ、汽笛の音は低くなる。

大気中では、NEXRADからのエネルギーパルスが物体に当たって反射し、レーダーに向かって戻ってくるのと同じ効果が起こります。 レーダーのコンピュータは、反射されたエネルギーパルスの位相変化を測定し、その変化を物体の速度に変換し、レーダーに向かって、またはレーダーから遠ざかっていく速度を算出します。 レーダーに向かう物体、あるいはレーダーから遠ざかる物体の動きに関する情報をもとに、風速を推定することができる。

上の画像で、灰色の線が送信された信号です。 レーダーから遠ざかる対象、または向かってくる対象に
当たったとき、戻ってきたエネルギーが波長特性を変える様子がわかります（それぞれ赤と緑の線）

次に、レーダーのデータを見てみましょう

データには、大きく分けて速度と反射率の2種類があります。

反射率データは、降水目標から跳ね返ってきたエネルギーの強さを示しています。 降水以外のターゲットもエネルギーを返しますが、今は降水だけを扱います。 一般に、返ってくるエネルギーが強いほど、降水量が多いことを示しています。 反射率について詳しくはこちら

速度データは、返ってきたエネルギーの位相、つまりドップラーシフトから得られます。 レーダーのコンピュータは、このずれを計算し、降水がレーダーに向かっているか、遠ざかっているか、その速さを判定し、その方向と速度に対応する色を適用します。 レーダーから遠ざかっていくものは赤、レーダーに向かってくるものは緑が一般的です。 これらの色の濃さによって、推定速度が決定されます。 7286>

上の画像では、反射率データに描かれた強い嵐に関連する速度データを見ることができます。 これは、速度表示で竜巻がどのように見えるかを示す良い例です。 画像をクリックすると詳細が表示されます。 レーダーは南東、つまりコンピュータ画面の右下にあります。 明るい赤、つまり強い外向き速度と明るい緑、つまり内向き速度が隣接していることに注目してください。 これは強く回転する気流を表しています。 このケースのように、フックサインを示す反射パターンと組み合わされると、しばしば竜巻が発生しているか、発生しようとしていることがわかります。

WSR-88D ドップラーレーダーが降水以外のターゲットを見ることがある

そこに「ターゲット」があり、レーダーエネルギーをレーダーに反射すると、レーダーはそれを降水であるかのように表示するのである。 レーダーには、降水と非降水のターゲットを識別するためのロジックが組み込まれているのです。 しかし、時々、レーダーのディスプレイに不思議なものが表示されることがあります。 7286>

Bird roost Rings. これらは、通常、夜間に周囲の陸地よりも気温が高くなる水域の周辺で、秋に最もよく見られます。 また、この時期は鳥が季節の移動のために集まってくる時期でもある。 夜、鳥は湖やその周辺で休息し、巣を作る。 日の出前には、日中の給餌のために、鳥たちが周囲の野原に散らばっていく様子がよく見られます。 左の画像をクリックすると、鳥の環のアニメーションが表示されます。

異常伝播

Terrain

AP & Terrain

異常伝播の様子。 レーダービームの特性についての理解に基づいて、レーダービームはレーダーから離れ、標準的な方法で大気中を伝搬することが期待される。 しかし、時には、大気の影響でビームが超屈折したり、ダクトのようになったりすることがある。 このような場合、ビームが下向きに曲がり、レーダーエネルギーの一部が地面に当たってレーダーにエネルギーが戻り、異常伝搬（AP）が発生することがあります。 上の3つの画像は、興味深いケースです。 左の最初の画像では、丸で囲んだ領域が孤立したAPを示しています。 中央の画像は、ウィスコンシン州南部の地形図です。 右の画像は、地形図にAPを重ねたものです。 バラブー丘陵の高い地形がレーダーで強調されていることに注意してください。 衛星観測などで晴れていることが確認されたので、これがAPであることがわかります。

風力発電所の干渉。 風力発電所は、タービンブレードが動いていて、それがレーダーの視線内にある場合、3つの方法でドップラーレーダーに影響を与えます。 風力発電所が数キロメートル以内にある場合、風力発電所はビームを部分的に遮断し、風力発電所から下方のデータを減衰させることができます。 また、レーダーにエネルギーを反射し、レーダー画像上でクラッタ（AP）として表示され、基本反射率データを汚染する可能性もあります。 反射率データは、レーダーアルゴリズムが降雨量を推定したり、特定の嵐の特徴を検出するために使用されます。 また、レーダーオペレータやレーダーデータプロセッサー内のさまざまなアルゴリズムが、メソサイクロン、相対的な嵐の動き、乱気流など、特定の嵐の特性を検出するために使用する速度データにも影響を与える可能性があります。 詳しくはこちら

Sun Interference(太陽干渉)。 1日に2回、日の出と日の入り時に、レーダーは太陽から放射される電磁エネルギーの干渉を受ける。 日の出と日の入りには、レーダーアンテナを直接太陽に向け、このエネルギーを受けるポイントがある。 これが、ディスプレイ上にスパイク状の反射エネルギーとして表示されます。 これは短時間で、通常は1回のスキャンで発生します。 左の画像では、日没が真西よりやや南にあることに注目してください。 日付は2009年3月11日です。 あと2週間足らずで、春分の日です。 太陽はレーダーの真西に沈む。

煙突の画像。 乾燥した時期に、制御された焼畑や抑制されていない山火事が行われると、レーダーはその火事に関連した煙のプルームを検出します。 このような大きな噴煙の多くは、計画的または管理された火によるものです。 これは、連邦政府/州/地方公共団体によって土地管理のために意図的に行われる火災である。 また、私有地での火災の場合もあります。 この例の2つの煙は、ウィスコンシン州国防省（Wisconsin DNR）による計画的な火災です（画像をクリックするとアニメーションが表示されます）。