This dissertation proposes simple methods to estimate an abnormal radio wave propagation, which can transmit electromagnetic energy with almost no propagation loss, using easily obtainable surface meteorological data. The proposed estimation methods were verified by analyzing the relationships between various individual meteorological parameters and their gradients; for example, the relationship between the monthly refractivity gradient and the monthly surface refractivity, that between the monthly surface refractivity and the individual monthly meteorological parameter, etc.
Radio wave propagation around the earth is determined by the refractive index structure of the atmosphere through which the radio wave travels. Thus, fully understanding of the refractive index structure within the radio path is of fundamental importance in studying radio wave propagation. One of the most important factors affecting radio wave propagation is the vertical refractivity gradient and its statistical characteristics.
In this study, the radiosonde datasets were collected and analyzed to establish the statistical characteristics of vertical refractivity and atmospheric parameters in Korea. The analysis results show that the formation of a radio duct $(\It{N^{'}} <-157 N/km or \It{M^{'}} < 0 M/km)$ strongly depends on the variations in humidity, and a radio duct can be formed at temperatures in excess of $-5.1\degC$ which agrees with the measurement results rather well $(-4.4\degC)$.
However, radiosonde data is usually coarse because it is collected at a fixed position and only twice daily; hence it does not accurately represent the meteorological characteristics. On the other hand, surface meteorological parameters such as surface refractivity, temperature, humidity, and pressure can be obtained more easily from the ground weather stations. Therefore if the correlation between the refractivity gradient and surface refractivity can be established, the refractivity gradient can be estimated using only surface meteorological parameters. The analysis of meteorological data in Korea shows that the correlation coefficient between the refractivity gradient and surface refractivity is very high (0.91). Therefore, the monthly average surface refractivity can be used to estimate the monthly average refractivity gradients, if we do not have sufficient data about the refractivity gradients.
In order to obtain the monthly average surface refractivity $(\bar{Ns})$, the individual observation data for many years is averaged. However, this procedure is complex and time-consuming. On the contrary, it is more easily to obtain long-term monthly average values of pressure, humidity and temperature, and then calculate the monthly average values of surface refractivity $(\bar{Ns^{ast}})$ by using the individual monthly average values of surface meteorological parameters. The analysis results show that the correlation coefficient between $\bar{Ns}$ and $(\bar{Ns^{ast}})$ is nearly unity. Therefore, the monthly average surface refractivity $(\bar{Ns})$ can be easily calculated by using the individual monthly pressure, humidity, and temperature. Finally, we can say that the monthly average refractivity gradients can be easily estimated by using the individual monthly pressure, humidity, and temperature.
Many VHF and UHF radio wave signals from Japan are often detected in the eastern coastal areas of Korea. Considering that Korea and Japan are more than 250 km apart, this phenomenon is unexpected. The various mechanisms of the VHF/UHF radio wave propagation were examined to understand the reason for this unexpected phenomenon, and the occurrence of a radio duct was identified as the principal mechanism of the abnormal radio wave propagation from Japan to Korea.
The analysis of meteorological data for radio wave propagation shows that radio ducts, which can trap 284.4625MHz radio wave signals, are formed at temperatures in excess of $10\degC$. These results agree well with 284.4625MHz radio wave signal measurements from Japan, in which signals are detected at temperatures in excess of approximately $10\degC$.
본 연구에서는 해수면 상공을 통해 자유공간 감쇠 특성이 무시될 정도로 강하게 수신되는 이상 전파의 전파 현상을 지상의 기상 관측 데이터를 이용하여 손쉽게 예측할 수 있는 방법을 제시한다. 이를 위해 다양한 기상 관측 데이터와 대기굴절률 및 라디오 덕트의 상관 관계를 규명하여 이상 전파 전파 현상 예측 방법의 신뢰성을 증명하였다.
대기권에서 진행하는 전파는 경로상의 대기 굴절률에 의해 진행 경로가 결정되기 때문에 전파 전파 연구에서는 전파경로상의 대기 굴절률 구조와 특성을 파악하는 것이 매우 중요한 작업이며, 그 중에서 대기 굴절률 수직경사도와 그 통계적 특성이 전파 전파에서 가장 중요한 요소이다.
대기 굴절률은 대기층의 기압, 기온, 습도에 따라 변하기 때문에 일반적으로 라디오존데를 이용하여 수집된 고도별 기압, 기온, 습도 데이터를 수집하여 분석한다. 이 논문에서는 대기 굴절률의 변수 중 라디오덕트를 형성하는데 가장 기여하는 요소를 찾기 위해 3년간의 우리나라 라디오존데 기상 데이터를 이용하여 우리나라의 대기 굴절률 특성을 분석하였다. 라디오존데 기상 데이터는 고도에 따라 기압은 선형적인 감소 특성을 보이고 있지만 온도와 습도는 임의 고도에서 비선형적으로 변하고 있었는데, 두 인자중 습도의 비선형적인 변화가 라디오 덕트 형성에 가장 크게 기여하는 것으로 분석되었다. 또한, 라디오 덕트는 온도 -5.1도 이상에서만 형성될 수 있을 것으로 분석되었는데 실제 라디오 덕트가 관측된 날의 온도(-4.4도)와 긴밀한 상관성을 보이고 있었다.
고도에 따른 기상 정보는 기본적으로 라디오존데를 통해 얻어지지만, 국내에서는 5 개 지점에서 1일 2회씩만을 관측하고 있으며, 특정 연구 목적으로 관측하지 않고, 기상 예보를 목적으로 하기 때문에 대기 굴절률을 분석하기 위한 정보를 제공하기에는 한계가 있다. 반면 지표면 기상정보 즉 기온, 기압, 습도는 지상 기상대에 의해 손쉽게 관측되고 지표면 굴절률을 분석하는데 충분한 정보를 제공할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 지표면 기상자료와 대기 굴절률 기울기간의 상관 관계를 분석하였는데, 1개월 평균 지표면 굴절률과 대기 굴절률 기울기(고도 1km)간 상관계수는 0.91로 매우 높게 나타나 지표면 굴절률을 통해 대기 굴절률 기울기를 추정할 수 있음을 확인하였다. 한편 1개월간 지표면 굴절률 평균값을 구할 때 개별 기상 인자(기온, 기압, 습도)의 1개월 평균값을 이용할 수 있는지를 검토하였으며 검토결과 상관계수는 거의 1.0으로 나타나서 기상 관계 기관으로부터 얻을 수 있는 개별 기상 인자의 1 개월 평균값을 이용하여 지표면 굴절률을 쉽게 추정할 수 있음을 확인하였다.
라디오 덕트는 온도 -5.1도 이상에서 발생하지만, 우리나라 동해안에서는 5$\sim$10월 사이에 일본으로부터VHF/UHF 전파 유입이 빈번히 관측되었으며 284MHz 전파는 지상온도10도 이상일 때만 유입되고 있음을 확인할 수 있었다. 따라서 먼저 ITU-R 권고서 분석을 통하여 일본 전파 유입 원인은 라디오덕트 때문임을 확인하였으며, 국내 해안지역 기상자료 특성과 라디오덕트 특성인자 추출을 통해 284MHz 일본전파가 10도 이상일 때만 유입됨을 확인하였다.
한편, 라디오덕트가 발생할 수 있는 최저 온도는 -5.1도인데 이 온도에서의 포화 수증기압(최대 수증기량)은 4.2hPa에 해당한다. 따라서 라디오 덕트는 대기중 수증기압이 4.2hPa이상이어야만 덕트가 발생할 수 있다고 가정하여 지상에서의 기온변화와 습도변화에 따라 표면덕트 발생 확률과 표면덕트 발생 강도를 예측하였으며 실제 라디오 존데로 측정한 측정결과와 일치하는 결과를 보여주었다.
본 연구는 지상의 기상인자와 지상 굴절율 정보를 통해 전파 전파에 가장 큰 영향을 미치는 대기굴절율 경사도와 덕트 발생확률 등을 효율적으로 예측할 수 있는 방법을 제시하였다.
