Abstract: O. V. Edward, J. S. Ojo, O. E. Abe (2026)

This study examined the chaoticity and complex dynamics of the time series for radio refractivity gradient (RRG) over Akure, Enugu, Jos, Minna, and Sokoto (from 2011 to 2012) using phase space reconstruction (PSR), Lyapunov exponents, Tsallis entropy, and Recurrence Quantification Analysis (RQA). The results revealed the presence of low-dimensional chaos, implying that long-term prediction is highly limited and complex modelling is required for reliable tropospheric radio propagation forecasting. Phase space (PS) trajectories showed loosely packed clusters in dry seasons and tightly packed ones in wet seasons, reflecting higher atmospheric density and variability during rainfall periods. RQA results indicated that the stations located at semi-arid to sub-humid zones (Minna, Sokoto) exhibit lower complexity (higher predictability) due to shorter wet seasons, while stations located in the sub-humid to humid coastal zones (Akure, Enugu, Jos) displayed higher chaoticity linked to prolonged wet seasons, humidity stratification, aerosol loading, and thermal gradients. The research contributes to knowledge by providing a nonlinear characterisation of refractivity gradients over the selected West African sub-Saharan region, with implications for microwave/satellite link design, prediction techniques, and frequency planning under turbulent conditions. These results have direct engineering applications, showing that communication links are more predictable (and cost-effective) in dry seasons, while wet seasons demand more sophisticated design strategies for reliable performance.

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Complex dynamics from radio refractivity gradients over West African sub-Saharan stations: an implication on microwave propagation links