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Clutter in der Wetterradartechnik

22. Juni 2020, 15 Kommentare

Das Radar ist ein sehr hoch entwickeltes Fernerkundungsinstrument und die Ermittlung der Niederschlagsintensität mit demselben ist alles andere als einfach. Um ausgewählte Vorgänge beobachten zu können, müssen nämlich die Messwerte korrekt interpretiert werden. Alles, was nicht hydrometeorologisch relevant ist bzw.im Fachjargon als Clutter bezeichnet wird, muss herausgefiltert werden.

Es ist nicht alles Gold was glänzt

Wenn man das unten abgebildete Radarbild betrachtet, könnte man denken, dass es sich bei dem, was dort in Form von Radarechos dargestellt ist, um eine Form von Niederschlag wie Regen oder Schnee handelt. Nach einer genaueren Betrachtung kann man jedoch feststellen, dass das dargestellte Muster nicht typisch für ein Niederschlagsfeld ist. Tatsächlich handelt es sich um das, was im Fachjargon Clutter genannt wird – der englische Begriff für Stördaten oder Durcheinander – der im Bereich der Wetterradartechnik für die Gesamtheit aller Signale steht, die von nicht meteorologischen Targets zurückkehren.

Vergrösserte Ansicht: Abb. 1: Ein ungeübtes Auge könnte bei Betrachtung dieses vom Wetterradar auf dem Albis (ZH) aufgenommenen Bildes an einen besonders regenreichen Tag im Norden der Alpen denken. Da es sich jedoch um ein Radarbild eines niederschlagsfreien Tages handelt, zeigt es all die Signale an, die von nicht-meteorologischen Targets zum Radar-Empfänger zurückkehren. Man beachte zum Beispiel die Jura-Gebirgskette im Nordwesten der Schweiz.
Abb. 1: Ein ungeübtes Auge könnte bei Betrachtung dieses vom Wetterradar auf dem Albis (ZH) aufgenommenen Bildes an einen besonders regenreichen Tag im Norden der Alpen denken. Da es sich jedoch um ein Radarbild eines niederschlagsfreien Tages handelt, zeigt es all die Signale an, die von nicht-meteorologischen Targets zum Radar-Empfänger zurückkehren. Man beachte zum Beispiel die Jura-Gebirgskette im Nordwesten der Schweiz.

Was herauszufiltern ist

Ein Clutter kann je nach Typologie des Radars unterschiedlich definiert werden. Zum Beispiel wird bei in der Luftfahrt verwendeten Radaren das, was meteorologischen Ursprungs ist, als Clutter definiert, während es in der Wetterradartechnik genau umgekehrt ist. Im Bereich der Radarornithologie – der Untersuchung der Migrationsbewegungen der Vögel mittels Radarfernerkundung – stellt offensichtlich alles, was nicht ein Vogel ist, einen Clutter dar. Typischerweise wird ein Clutter vor allem durch das Gelände und verschiedene Bauwerke wie Gebäude oder Masten bedingt.

Wie Clutter herauszufiltern sind

Die Einführung der Technologie der Doppelpolarisation bei den Radarsystemen hat es ermöglicht, die Präzision des für das Herausfiltern von Cluttern verwendeten Algorithmus zu erhöhen. Dank dieser Innovation wurde es möglich, neue Kriterien für die Klassifikation von Signalen einzuführen. Der Algorithmus klassifiziert das Radarsignal in vier Kategorien: Niederschlag, “trockener Bereich”, Signal, das auf eine externe Transmissionsquelle zurückzuführen ist und eben Clutter. Verschiedene Parameter werden mit bestimmten Schwellenwerten verglichen, um zwischen den verschiedenen Signaltypen unterscheiden zu können. Als Beispiel kann der Doppler-Test erwähnt werden, der auf der Geschwindigkeit des Radarechos basiert: wenn dieses sich als sich nicht bewegend herausstellt, wird das Signal als Clutter klassifiziert.

Vergrösserte Ansicht: Abb. 2: Schema, das das Konzept der automatischen Clutterentfernung in Form eines Entscheidungsbaums für die Signalklassifikation beschreibt.
Abb. 2: Schema, das das Konzept der automatischen Clutterentfernung in Form eines Entscheidungsbaums für die Signalklassifikation beschreibt.

Es gibt auch nützliche Clutter

Obwohl ein Clutter es uns erschwert, das, was wir identifizieren wollen, im Dschungel der Echos, die zu unserem Radar zurückkommen, zu sehen, gibt es eine interessante Anwendung, die ein Clutter direkt einbezieht: die Überprüfung der Stabilität eines Radarsystems. Wenn man nämlich annimmt, dass ein Clutter relativ stabil ist, könnten plötzliche Sprünge in seiner Intensität auf einen Fehler im Transceiver-Kanal hinweisen.

Zum Abschluss ein Zitat

Perfektion ist nicht dann erreicht, wenn es nichts mehr hinzuzufügen gibt, sondern wenn man nichts mehr weglassen kann.

Antoine de Saint-Exupéry

Wer mehr darüber wissen möchte

Germann, U.; Joss, J. Operational measurement of precipitation in mountainous terrain. In Weather Radar: Principles and advanced applications; Meischner, P. (Ed.); Springer: Berlin, 2004; Seiten 52-77.

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Kommentare (15)

  1. Lukas, 28.06.2020, 22:57

    Vielen Dank für den interessanten Einblick in die radarbasierte Wetterprognose. Gibt es bei Clutter auch Polarisationseffekte ähnlich wie in der Photograpie (flachwinklige Reflexion) und wie gute "Polarisationsfilter" haben die Radarempfänger?
    Wo kann man mehr über die verwendete physikalische Technik und Datenbearbeitung lesen?

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    1. MeteoSchweiz, 10.07.2020, 11:29

      Guten Tag Lukas

      Nein, das Radarsystem hat keine Polarisationsfilter, das Signal wird von zwei orthogonal zueinander stehenden Kanälen empfangen.
      Weitere Informationen erhalten Sie entweder durch die am Ende des Beitrags zitierte Quelle oder allgemein zur Radarmeterorologie in z.B. folgendem Buch: Fabry, F. (2015). Radar Meteorology: Principles and Practice. Cambridge: Cambridge University Press.

      Freundliche Grüsse
      MeteoSchweiz

  2. Wolfgang, 28.06.2020, 11:55

    Sehr interessant! Wird bei der Auswertung der Wetterradarsignale Machine Learning verwendet? Ich könnte mir vorstellen, dass damit einige zusätzliche Insights entdeckt werden könnten. Just thinking...

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    1. MeteoSchweiz, 06.07.2020, 11:59

      Guten Tag Wolfgang.

      Bei der aktuellen Radargeneration wird noch kein Machine Learning verwendet. Die nächste Radargeneration ist allerdings bereits in Entwicklung und dort ist Machine Learning ein wichtiges Thema.

      Freundliche Grüsse
      MeteoSchweiz

  3. Hansjörg, 23.06.2020, 10:55

    Ausgezeichneter Artikel, herzlichen Dank!

    Antworten

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  4. Beat, 22.06.2020, 16:05

    Sieht man auf dem Radar auch noch ab und zu Echos welche durch Düppel verursacht werden?

    Antworten

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    1. Malte Neuper, 22.06.2020, 20:20

      Ja, Düppel kommen immer noch vor. Hier in D'land des öfteren in der Pfalz bei Militärübungen. Eine weiter Region, wo öfters noch Düppel (im Amerikanischen Chaff) vorkommen, sind die Florida Keys.

      Viele Grüße

    2. MeteoSchweiz, 23.06.2020, 10:50

      Guten Tag Beat

      Es kann vorkommen, dass in den Radardaten vereinzelt Echos von Düppel zu sehen sind. In der Schweiz wird Düppel (oder Englisch "Chaff") aber nur selten eingesetzt, demzufolge sind auch durch Düppel verursachte Störechos selten.

      Freundliche Grüsse
      MeteoSchweiz

    3. Ariel, 23.06.2020, 16:02

      Ob Chaff / Düppel auf dem Radar erscheinen kommt auch auf die Art des Radars an (CW/ Puls/ Pulsdoppler) . Im Allgemeinen ist die Geschwindigkeit von Düpplern so gering, dass sie bei Doppler/Pulsdopplerradar nicht detektiert werden. Ebenso kommt es auf die Wellenlänge des Radars an, auf welche Art von Chaff er empfindlich ist.

  5. Malte, 22.06.2020, 15:26

    Vielen Dank, sehr interessanter und sehr schön geschriebener Text.
    Eine Frage habe ich. Im Text steht: "Als Beispiel kann der Doppler-Test erwähnt werden, der auf der Geschwindigkeit des Radarechos basiert: wenn dieses sich als bewegend herausstellt, wird das Signal als Clutter klassifiziert."

    Kann da ein "nicht" fehlen?
    Also, dass wenn sich das Signal als nicht bewegend herausstellt, es dann Clutter ist.
    Viele Grüße, Malte

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    1. Daniel Hernández, 23.06.2020, 07:01

      Ja, da fehlt offensichtlich ein «nicht».
      Sonst aber perfekt erklärt.

    2. Marco, 23.06.2020, 07:25

      Regenzellen können auch stationär sein und die Geschwindigkeiten sind allgemein recht tief. Herausgefiltert werden vermutlich nur Objekte mir relativ hoher Geschwindigkeit (Flugzeuge).

    3. Leo, 23.06.2020, 07:46

      Ich denke (und ich bin kein Experte), damit ist die Bewegung relativ zum Radarstandpunkt gemeint, gemessen wiederum relativ zur Erdoberfläche (deren Krümmung ab einer gewissen Reichweite wohl auch noch eine Rolle spielt, aber herausgerechnet werden kann).
      Also ob ein Objekt sich parallel zum Grund auf die Radarstation zu- oder von ihr fortbewegt.
      So gesehen ist Regen vor allem ballistisch unterwegs und sollte eine sehr kleine Relativbewegung aufweisen. Alles, was über einem Schwellwert ist, kann als selbstbewegt vernachlässigt werden (Vögel, Drohnen, Flugzeuge,...).

    4. Tim, 23.06.2020, 08:56

      Ja, das würde ich auch so sehen.

    5. MeteoSchweiz, 23.06.2020, 11:29

      Guten Tag Malte

      Vielen Dank für Ihren Kommentar, das ist uns entgangen. Wir haben das korrigiert und jetzt sollte es stimmen.

      Freundliche Grüsse
      MeteoSchweiz