<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing with OASIS Tables v3.0 20080202//EN" "journalpub-oasis3.dtd">
<article xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:oasis="http://docs.oasis-open.org/ns/oasis-exchange/table" dtd-version="3.0">
  <front>
    <journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher">GMD</journal-id>
<journal-title-group>
<journal-title>Geoscientific Model Development</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="publisher">GMD</abbrev-journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="nlm-ta">Geosci. Model Dev.</abbrev-journal-title>
</journal-title-group>
<issn pub-type="epub">1991-9603</issn>
<publisher><publisher-name>Copernicus Publications</publisher-name>
<publisher-loc>Göttingen, Germany</publisher-loc>
</publisher>
</journal-meta>

    <article-meta>
      <article-id pub-id-type="doi">10.5194/gmd-10-1961-2017</article-id><title-group><article-title>Vorticity-divergence semi-Lagrangian global atmospheric model SL-AV20: dynamical core</article-title>
      </title-group><?xmltex \runningtitle{SL-AV20 global atmospheric model dynamical core}?><?xmltex \runningauthor{M. Tolstykh et al.}?>
      <contrib-group>
        <contrib contrib-type="author" corresp="no" rid="aff1 aff2 aff3">
          <name><surname>Tolstykh</surname><given-names>Mikhail</given-names></name>
          
        </contrib>
        <contrib contrib-type="author" corresp="yes" rid="aff1 aff2">
          <name><surname>Shashkin</surname><given-names>Vladimir</given-names></name>
          <email>vvshashkin@gmail.com</email>
        </contrib>
        <contrib contrib-type="author" corresp="no" rid="aff1 aff3">
          <name><surname>Fadeev</surname><given-names>Rostislav</given-names></name>
          
        </contrib>
        <contrib contrib-type="author" corresp="no" rid="aff3 aff1">
          <name><surname>Goyman</surname><given-names>Gordey</given-names></name>
          
        </contrib>
        <aff id="aff1"><label>1</label><institution>Institute of Numerical Mathematics, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia</institution>
        </aff>
        <aff id="aff2"><label>2</label><institution>Hydrometeorological Centre of Russia, Moscow, Russia</institution>
        </aff>
        <aff id="aff3"><label>3</label><institution>Moscow Institute of Physics and Technology (State University), Moscow, Russia</institution>
        </aff>
      </contrib-group>
      <author-notes><corresp id="corr1">Vladimir Shashkin (vvshashkin@gmail.com)</corresp></author-notes><pub-date><day>22</day><month>May</month><year>2017</year></pub-date>
      
      <volume>10</volume>
      <issue>5</issue>
      <fpage>1961</fpage><lpage>1983</lpage>
      <history>
        <date date-type="received"><day>11</day><month>October</month><year>2016</year></date>
           <date date-type="rev-request"><day>12</day><month>December</month><year>2016</year></date>
           <date date-type="rev-recd"><day>31</day><month>March</month><year>2017</year></date>
           <date date-type="accepted"><day>15</day><month>April</month><year>2017</year></date>
      </history>
      <permissions>
<license license-type="open-access">
<license-p>This work is licensed under a Creative Commons Attribution 3.0 Unported License. To view a copy of this license, visit <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/">http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/</ext-link></license-p>
</license>
</permissions><self-uri xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/10/1961/2017/gmd-10-1961-2017.html">This article is available from https://gmd.copernicus.org/articles/10/1961/2017/gmd-10-1961-2017.html</self-uri>
<self-uri xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/10/1961/2017/gmd-10-1961-2017.pdf">The full text article is available as a PDF file from https://gmd.copernicus.org/articles/10/1961/2017/gmd-10-1961-2017.pdf</self-uri>


      <abstract>
    <p>SL-AV (semi-Lagrangian, based on the absolute vorticity equation)
is a global hydrostatic atmospheric model. Its latest version, SL-AV20,
provides global operational medium-range weather forecast with 20 <inline-formula><mml:math id="M1" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">km</mml:mi></mml:math></inline-formula>
resolution over Russia. The lower-resolution configurations of SL-AV20 are
being tested for seasonal prediction and climate modeling.</p>
    <p>The article presents the model dynamical core. Its main features are a
vorticity-divergence formulation at the unstaggered grid, high-order
finite-difference approximations, semi-Lagrangian semi-implicit
discretization and the reduced latitude–longitude grid with variable
resolution in latitude.</p>
    <p>The accuracy of SL-AV20 numerical solutions using a reduced lat–lon grid and
the variable resolution in latitude is tested with two idealized test cases.
Accuracy and stability of SL-AV20 in the presence of the orography forcing
are tested using the mountain-induced Rossby wave test case. The results of
all three tests are in good agreement with other published model solutions.
It is shown that the use of the reduced grid does not significantly affect
the accuracy up to the 25 % reduction in the number of grid points with
respect to the regular grid. Variable resolution in latitude allows us to
improve the accuracy of a solution in the region of interest.</p>
  </abstract>
    </article-meta>
  </front>
<body>
      

      <?xmltex \hack{\allowdisplaybreaks}?>
<sec id="Ch1.S1" sec-type="intro">
  <title>Introduction</title>
      <p>Atmospheric general circulation models (AGCMs) are basic tools for weather
forecasting from several days to seasons. Also, such models are essential
building blocks of Earth system models used for climate simulations. AGCMs
consist of a dynamical core responsible for solution of dynamics equations of
a resolvable flow component and the package representing sub-grid-scale
processes (often in a parameterized way).</p>
      <p>SL-AV20 is the latest version of the hydrostatic AGCM developed at the
Institute of Numerical Mathematics, Russian Academy of Sciences (INM RAS) in
cooperation with the Hydrometeorological Centre of Russia (HMCR). SL-AV is
the model acronym (semi-Lagrangian, based on the absolute-vorticity
equation), and 20 indicates the targeted horizontal resolution over the
territory of Russia. The SL-AV20 dynamical core is developed by the
coauthors, while the greater part of subgrid-scale parameterizations is
adopted from the ALADIN/LACE model <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx6 bib1.bibx7" id="paren.1"/>.</p>
      <p>SL-AV20 is accepted as a basic method for operational medium-range weather
forecast in the HMCR in 2015. The lower-resolution version of this model is
expected to be applied in the HMCR long-range forecasting system. Also,
SL-AV20 is considered a starting point for developing the new atmospheric
component of the INM climate model <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx46" id="paren.2"><named-content content-type="pre">INMCM,</named-content></xref>. Among the
papers that discuss SL-AV model numerics, e.g., vorticity-divergence
formulation and basic horizontal discretizations <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx45" id="paren.3"/>, the
variable-resolution version <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx43" id="paren.4"/>, the new solver for
reconstruction of the wind from vorticity and divergence, the
mass-conservative shallow water formulation <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx44" id="paren.5"/>, and
the inherently mass-conserving version <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx31" id="paren.6"/>, there is
no one that would put all the developments together. This article describes
the present state of the SL-AV20 dynamical core.</p>
      <p>While developing a dynamical core, we want it to have a given accuracy
combined with a minimum wall-clock time for a given number of processors. We
call this the computational efficiency. Furthermore, as the dynamical core
can be used at a range of horizontal and vertical resolutions typical for
numerical weather prediction and climate simulations, it is desirable to
maintain dynamical core computational efficiency at a maximum possible range
of resolutions. This is a somewhat contradictory requirement. Indeed, using a
global dynamical core at the maximum possible resolution of a few kilometers
ultimately requires the dynamical core to use efficiently up to tens of
thousands of cores. This is not so easy to achieve if a semi-implicit
time-integration scheme is used.</p>
      <p>Our approach to the dynamical core design is based on the following choices.
We use a semi-implicit (SI) time-stepping scheme <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx29" id="paren.7"/> and a
semi-Lagrangian (SL) treatment of advection <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx36" id="paren.8"><named-content content-type="pre">review – </named-content></xref>.
This combination allows us to circumvent Courant–Friedrichs–Lewy stability
limitation for both wind speed and inertia-gravity wave phase speed.
Practically, this means that the time step is much larger than with the
Eulerian treatment of advection and/or the explicit time-stepping scheme,
however, at the cost of solving the Helmholtz equation at each time step and
having larger communication costs in parallel implementation. The unstaggered
grid is used; i.e., scalar and vector variables are stored at the same grid
points. Therefore, only one set of upstream trajectories needs to be computed
for the SL advection scheme (the C-grid requires three sets). Also, this
improves trajectory computation accuracy, since the velocity components are
stored at arrival points and no spatial interpolation or averaging is needed
to compute the displacement terms at the arrival point.</p>
      <p>Following the results of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx26" id="text.9"/>, the vertical component of
relative vorticity and the horizontal divergence are used as prognostic
variables to achieve good inertia-gravity and Rossby wave dispersion
properties at the unstaggered grid. However, the reconstruction of wind
velocity from vorticity and divergence is needed at each time step. We use
the direct inversion of relative vorticity and divergence finite-difference
formulae, avoiding solution of Poisson problems for stream function and
velocity potential. This leads to the accurate and efficient solver
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx44" id="text.10"/>.</p>
      <p>Fourth-order finite-difference formulae are used to compute gradient,
divergence, and vorticity operators. Compact finite differences were used in
early versions of the SL-AV model <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx45" id="paren.11"/> for their smaller
truncation errors. To improve parallel efficiency, compact finite differences
are abandoned now, except Helmholtz and velocity reconstruction solvers.</p>
      <p>The important question for the global atmospheric model is the choice of the
horizontal grid on the sphere. The regular latitude–longitude grid that
served in the atmospheric modeling for decades is now ending its era. The
grid points clustering near the poles force one to use either a very small
time step for stability or special numerical techniques (polar filters, SL
advection) that need excessive data transfer in the polar regions and lead to
scalability problems. Moreover, physical grid spacing in latitude in the
polar regions can be 1 order of magnitude (or even more) larger than the grid
spacing in longitude. This presents a difficulty for parameterizations of
sub-grid-scale processes. A significant effort is made to develop models
based on icosahedral <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx51" id="paren.12"><named-content content-type="pre">e.g.,</named-content></xref>, Voronoy–Delaunay
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx35" id="paren.13"><named-content content-type="pre">e.g.,</named-content></xref>, cubed-sphere <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx5" id="paren.14"><named-content content-type="pre">e.g.,</named-content></xref>, Yin-Yang
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx25" id="paren.15"/> or some less popular grids on the sphere.</p>
      <p>Unfortunately, all quasi-uniformly spaced grids proposed to date suffer from
one or more of the following problems <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx37" id="paren.16"><named-content content-type="pre">as discussed
in</named-content></xref>: disbalance between vector and scalar degrees of freedom
(grids with triangular or hexagonal/pentagonal cells), non-orthogonality of
the underlying coordinate system (cubed-sphere), and overset regions or grid
transition (Yin-Yang, cubed-sphere). These issues can degrade the accuracy of
atmospheric circulation simulation, and cause grid imprinting and/or the
occurrence of unphysical wave modes and some other problems.</p>
      <p>SL-AV20 is formulated using the reduced latitude–longitude grid suggested in
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx17" id="text.17"/> but with a different design. We believe that using a
reduced grid can alleviate most of the polar problems of the regular
latitude–longitude grid. Moreover, the reduced latitude–longitude grid is
free of problems specific to more complex quasi-uniformly spaced grids, and
is relatively easy to implement. As shown in <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx44" id="text.18"/>,
the accuracy problems of reduced grid computations reported by
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx50" id="text.19"/> and <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx37" id="normal.20"/> can be overcome with proper
construction of this grid <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx4" id="paren.21"/> and using high-order
discretizations.</p>
      <p>Another feature of SL-AV20 is the possibility of using variable resolution in
latitude. This approach is especially suitable for Russian territory, which
stretches for almost <inline-formula><mml:math id="M2" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">180</mml:mn><mml:mo>∘</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in longitude. Variable resolution in
latitude with the ability to use non-equatorially symmetric grid reduction
allows us to refine resolution in the region of interest (mid-latitudes of
the Northern Hemisphere) and to coarsen it in other regions (e.g., Southern
Hemisphere).</p>
      <p>The article is organized as follows. The governing equations are listed in
Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2"/>. Section <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S3"/> briefly presents the SL-AV20
semi-Lagrangian advection scheme. The details of semi-implicit temporal
discretization are given in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S4"/>; the numerical techniques for
horizontal and vertical discretization are presented in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S5"/>.
The solvers for the Helmholtz problem and wind velocity reconstruction are
presented in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S6"/>; Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S7"/> discusses the
dissipation mechanisms used in the model. Section <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S8"/> describes
SL-AV20 parallel implementation. Numerical experiments are described in
Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S9"/>.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S2">
  <title>Governing equations</title>
      <p>Governing equations of the SL-AV model are derived from the set of
hydrostatic shallow-atmosphere primitive equations on the sphere <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx11" id="paren.22"><named-content content-type="post">chap.
2</named-content></xref>. The hybrid coordinate <inline-formula><mml:math id="M3" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:math></inline-formula> of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx34" id="text.23"/> is used
in the vertical.</p>
      <p>The spherical longitude and latitude are <inline-formula><mml:math id="M4" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M5" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi></mml:math></inline-formula> is
the vector pointing from the center of the sphere to the point on its
surface, and <inline-formula><mml:math id="M6" display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the radius of the sphere (notations used in the article
are summarized in Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S1"/>). Standard definitions of
horizontal <inline-formula><mml:math id="M7" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi></mml:math></inline-formula> operator and Lagrangian derivative
<inline-formula><mml:math id="M8" display="inline"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> are used. The pressure is
<inline-formula><mml:math id="M9" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M10" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a constant reference
pressure and <inline-formula><mml:math id="M11" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the surface pressure.</p>
      <p>The horizontal wind velocity is <inline-formula><mml:math id="M12" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi></mml:math></inline-formula>, with <inline-formula><mml:math id="M13" display="inline"><mml:mi>u</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M14" display="inline"><mml:mi>v</mml:mi></mml:math></inline-formula> being its zonal
and meridional components, respectively. <inline-formula><mml:math id="M15" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and
<inline-formula><mml:math id="M16" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">k</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the horizontal divergence and
vertical component of relative vorticity; <inline-formula><mml:math id="M17" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the vertical
unit vector. The vertical velocity in the hybrid coordinate system is
<inline-formula><mml:math id="M18" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>. The Coriolis parameter <inline-formula><mml:math id="M19" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Ω</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
<inline-formula><mml:math id="M20" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">Ω</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the Earth's angular velocity. <inline-formula><mml:math id="M21" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the geopotential,
<inline-formula><mml:math id="M22" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the temperature, and <inline-formula><mml:math id="M23" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the surface geopotential.
We also use virtual temperature
<inline-formula><mml:math id="M24" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">moist</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>; <inline-formula><mml:math id="M25" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is
the dry air gas constant and <inline-formula><mml:math id="M26" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">moist</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>∑</mml:mo><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M27" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the gas constant of
water vapor, <inline-formula><mml:math id="M28" display="inline"><mml:mi>q</mml:mi></mml:math></inline-formula> is water vapor specific concentration, and <inline-formula><mml:math id="M29" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are liquid
and solid water species specific concentrations. The heat capacity of moist
and dry air at constant pressure are <inline-formula><mml:math id="M30" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M31" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>; <inline-formula><mml:math id="M32" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> includes
contributions from all water species presented. The sources/sinks of an
arbitrary quantity <inline-formula><mml:math id="M33" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:math></inline-formula> due to subgrid/diabatic processes are denoted by
<inline-formula><mml:math id="M34" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p>We begin with the momentum (horizontal wind) equation in the vector form of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx1" id="text.24"/>:
          <disp-formula id="Ch1.E1" content-type="numbered"><mml:math id="M35" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="bold">Ω</mml:mi><mml:mo>×</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">F</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        Subscript <inline-formula><mml:math id="M36" display="inline"><mml:mi>H</mml:mi></mml:math></inline-formula> denotes projection onto the surface of the sphere. The Coriolis
term is cast in the advective form (inside <inline-formula><mml:math id="M37" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>)
following <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx30" id="text.25"/> <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx39" id="paren.26"><named-content content-type="pre">see also</named-content></xref>. Using
the vector form of momentum equations, we avoid the problems related to the
treatment of metric terms proportional to <inline-formula><mml:math id="M38" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>tan⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> near the poles. The
<inline-formula><mml:math id="M39" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is substituted into the term
<inline-formula><mml:math id="M40" display="inline"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> and the latter is rewritten as
<inline-formula><mml:math id="M41" display="inline"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p>We recast the horizontal wind Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E1"/>) using the vertical
component of absolute vorticity <inline-formula><mml:math id="M42" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and horizontal divergence <inline-formula><mml:math id="M43" display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The
equation for <inline-formula><mml:math id="M44" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is obtained by applying the <inline-formula><mml:math id="M45" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">k</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>×</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
operator:

              <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M46" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E2"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi></mml:mfenced><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="2.5em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="2.5em">)</mml:mo><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E3"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          The equation for the horizontal divergence <inline-formula><mml:math id="M47" display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula> is derived from the
time-discrete form of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E1"/>) (see Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S4"/> for
details).</p>
      <p>Also, there is an option to use the divergence equation obtained in an
analytic way applying the <inline-formula><mml:math id="M48" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> operator to momentum equations
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx11" id="paren.27"><named-content content-type="pre">Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E1"/> can be used; however, the derivation is simpler
with the component form –</named-content></xref>:

              <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M49" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E4"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathvariant="italic" mathsize="2.5em">{</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mo mathsize="1.1em">(</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo mathsize="1.1em">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo mathsize="2.5em">[</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mo mathsize="2.5em">]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E5"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mo mathsize="2.5em" mathvariant="italic">}</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          Using the analytic divergence Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E4"/>) gives a possibility of
using the same spatial approximation for <inline-formula><mml:math id="M50" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in both explicit and
implicit parts of time-discrete equations. Therefore, we can expect better
dispersion properties for the shortest inertia-gravity waves <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx2" id="paren.28"><named-content content-type="pre">according
to</named-content></xref>, however, at the cost of computing additional
nonlinear terms. It is interesting to note that, unlike
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx9" id="text.29"/>, who formulated vorticity and divergence
equations in terms of true scalars (<inline-formula><mml:math id="M51" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M52" display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M53" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, stream function and
velocity potential), we use components of vector quantities <inline-formula><mml:math id="M54" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi></mml:math></inline-formula> and
<inline-formula><mml:math id="M55" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p>The thermodynamic equation is readily formulated for virtual temperature
<inline-formula><mml:math id="M56" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. This can be done considering
<inline-formula><mml:math id="M57" display="inline"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">moist</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">moist</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
and then expanding <inline-formula><mml:math id="M58" display="inline"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> and
<inline-formula><mml:math id="M59" display="inline"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">moist</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> on the right-hand side
using the thermodynamic equation <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx22" id="paren.30"/> and water species
transport equations (see below).

              <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M60" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mo mathsize="1.1em">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo mathsize="1.1em">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">moist</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="2.5em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mover accent="true"><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi></mml:msub><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="2.5em">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E6"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E7"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">moist</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathsize="2.5em">[</mml:mo><mml:mo mathsize="2.5em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo mathsize="2.5em">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo mathsize="2.5em">]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M61" display="inline"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> is the horizontal
Lagrangian derivative with neglected vertical displacement. The energy
conversion term <inline-formula><mml:math id="M62" display="inline"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>p</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is rewritten in
terms of <inline-formula><mml:math id="M63" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and an analog of vertical velocity
<inline-formula><mml:math id="M64" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
following <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx22" id="text.31"/>. The term <inline-formula><mml:math id="M65" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> was
proposed by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx28" id="text.32"/> to suppress spurious orographic resonance; also,
it smooths the temperature field near orographic variations and contributes
positively to the accuracy of temperature advection.</p>
      <p>The continuity equation is written in terms of <inline-formula><mml:math id="M66" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and
<inline-formula><mml:math id="M67" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, similar to Eq. (5) of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx22" id="text.33"/>:

              <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M68" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">const</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E8"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">const</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          The term <inline-formula><mml:math id="M69" display="inline"><mml:mrow><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">const</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> was also proposed by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx28" id="text.34"/>. The
continuity equation can also be written in the form of mass conservation in
an arbitrary Lagrangian cell <inline-formula><mml:math id="M70" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx18" id="paren.35"/>:
          <disp-formula id="Ch1.E9" content-type="numbered"><mml:math id="M71" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>g</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:munder><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        Recall that <inline-formula><mml:math id="M72" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the density in the
<inline-formula><mml:math id="M73" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:math></inline-formula>-coordinate. We use this form of continuity equation for locally
mass-conserving SL discretization.</p>
      <p>The hydrostatic balance equation is
          <disp-formula id="Ch1.E10" content-type="numbered"><mml:math id="M74" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p>The equations for transport of water vapor and other water species are all written in
the same form:

              <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M75" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E11"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E12"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:munder><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:munder><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          The finite-volume form (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E12"/>) is used for locally mass-conserving
discretization.</p>
      <p>Boundary conditions for the above Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E2"/>)–(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E12"/>) are
<inline-formula><mml:math id="M76" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at the lower <inline-formula><mml:math id="M77" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and upper <inline-formula><mml:math id="M78" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">top</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
boundaries. Also, it is assumed that <inline-formula><mml:math id="M79" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> = 1, <inline-formula><mml:math id="M80" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> when
<inline-formula><mml:math id="M81" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, normally <inline-formula><mml:math id="M82" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> above some <inline-formula><mml:math id="M83" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">top</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>; however, the
model can work in the pure <inline-formula><mml:math id="M84" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula>-coordinate mode, when <inline-formula><mml:math id="M85" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
<inline-formula><mml:math id="M86" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> everywhere.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S3">
  <title>Semi-Lagrangian advection</title>
<sec id="Ch1.S3.SS1">
  <title>Conventional semi-Lagrangian advection</title>
      <p>Lagrangian time derivatives in the prognostic equations given in
Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2"/> are approximated in time as
<inline-formula><mml:math id="M87" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where the
superscript indicates time level <inline-formula><mml:math id="M88" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>; subscript <inline-formula><mml:math id="M89" display="inline"><mml:mo>*</mml:mo></mml:math></inline-formula> indicates
that quantity <inline-formula><mml:math id="M90" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is evaluated at the departure position of the Lagrangian
parcel (at <inline-formula><mml:math id="M91" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). Under the SL approach, each point of a fixed computational
grid is the arrival position of some Lagrangian particle. The advection
equation <inline-formula><mml:math id="M92" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is discretized in time as
<inline-formula><mml:math id="M93" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. SL approximation is not subject to the
Courant–Friedrichs–Lewy stability limitation, so <inline-formula><mml:math id="M94" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be chosen
from accuracy considerations that greatly contribute to the computational
efficiency.</p>
      <p>The departure position of the Lagrangian parcel arriving at some grid point
can be approximately found by integrating the equation
<inline-formula><mml:math id="M95" display="inline"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> one step back in time.
Following the SETTLS scheme <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx12" id="paren.36"/>, we approximate this
equation as
            <disp-formula id="Ch1.E13" content-type="numbered"><mml:math id="M96" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          where <inline-formula><mml:math id="M97" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The iterative approach is
used to solve Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E13"/>):
            <disp-formula id="Ch1.E14" content-type="numbered"><mml:math id="M98" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          where <inline-formula><mml:math id="M99" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> indicates the departure point position found at <inline-formula><mml:math id="M100" display="inline"><mml:mi>m</mml:mi></mml:math></inline-formula>th iteration.
Additional geometric approximations are needed iterating
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E14"/>) to account for spherical geometry and shallow
atmosphere approximation <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx40" id="paren.37"><named-content content-type="pre">see</named-content></xref>.</p>
      <p>The quantities at the departure positions of Lagrangian particles are
evaluated using interpolation. We use 3-D tensor-product cubic Hermite
interpolation for advective terms of equations (the terms that arise from SL
approximation of <inline-formula><mml:math id="M101" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Trilinear interpolation is used
for components of <inline-formula><mml:math id="M102" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi></mml:math></inline-formula> in iterative process (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E14"/>) and
non-advective terms of equations. The change in the direction of coordinate
system unit vectors between departure and arrival positions should be taken
into account when interpolating the vector components:
            <disp-formula id="Ch1.E15" content-type="numbered"><mml:math id="M103" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mtable class="array" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="fraktur">R</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mtable class="array" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          where <inline-formula><mml:math id="M104" display="inline"><mml:mi mathvariant="fraktur">R</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the rotation matrix (see <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx40" id="author.38"/>,
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx40" id="year.39"/>, detailed derivation in
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx38" id="author.40"/>, <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx38" id="year.41"/>).</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S3.SS2">
  <title>Mass-conservative semi-Lagrangian advection</title>
      <p>The disadvantage of a semi-Lagrangian approach as formulated in
Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S3.SS1"/> is the lack of tracer mass conservation. To address
this problem, SL-AV20 incorporates the finite-volume SL Conservative Cascade
Scheme <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx32" id="paren.42"><named-content content-type="pre">CCS-3D,</named-content></xref>. Finite-volume SL
discretization starts with the advection equation in form (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E12"/>)
where the arrival volume <inline-formula><mml:math id="M105" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> coincides with grid cell
<inline-formula><mml:math id="M106" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M107" display="inline"><mml:mi>l</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the vertical index):
            <disp-formula id="Ch1.E16" content-type="numbered"><mml:math id="M108" display="block"><mml:mrow><mml:mo mathsize="2.5em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>q</mml:mi><mml:msubsup><mml:mo mathsize="2.5em">)</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:munder><mml:mo mathsize="2.5em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:msup><mml:mo mathsize="2.5em">)</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          <inline-formula><mml:math id="M109" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is quantity averaged over <inline-formula><mml:math id="M110" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>;
<inline-formula><mml:math id="M111" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M112" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the cell horizontal square and volume,
respectively. Cell-averaged tracer density <inline-formula><mml:math id="M113" display="inline"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is chosen as a prognostic variable.</p>
      <p>The departure cell <inline-formula><mml:math id="M114" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is defined by its
vertices, i.e., the departure positions of Lagrangian parcels arriving at the
vertices of <inline-formula><mml:math id="M115" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at <inline-formula><mml:math id="M116" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Departure cell vertices are
found with interpolation of known coordinates of departure
cell centers. The latter are departure positions of the Lagrangian
parcels arriving at the grid points computed using
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E13"/>).</p>
      <p>To approximate the integrals over the departure cells in
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E16"/>), we extend the 2-D Conservative Cascade Scheme by
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx24" id="text.43"/> to 3-D space. Following the ideas of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx24" id="text.44"/>, we
split the 3-D integration problem into the sequence of three 1-D integrations
that greatly contributes to the computational efficiency. The resulting
locally mass-conserving SL advection scheme
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx32" id="text.45"/> uses a piecewise parabolic subgrid tracer
density distribution <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx3" id="paren.46"/> and incorporates several monotonicity and
positivity preserving options.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="Ch1.S4">
  <title>Time discretization</title>
<sec id="Ch1.S4.SS1">
  <title>Basic semi-implicit formulation</title>
      <p>The non-advective terms of prognostic equations (from Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2"/>)
are approximated using the combination of the Crank–Nicolson scheme with the
pseudo-second-order decentering <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx40" id="paren.47"/> for linear terms and
the SETTLS scheme <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx12" id="paren.48"/> for nonlinear terms. For the equation
            <disp-formula id="Ch1.E17" content-type="numbered"><mml:math id="M117" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          where <inline-formula><mml:math id="M118" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is an arbitrary scalar or vector variable the scheme writes as

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M119" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>*</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup></mml:mfenced><mml:mspace width="0.33em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>L</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E18"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>L</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>L</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p>The absolute vorticity Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E2"/>) is discretized in time as follows:
            <disp-formula id="Ch1.E19" content-type="numbered"><mml:math id="M120" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>f</mml:mi><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          where <inline-formula><mml:math id="M121" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a combination of time level <inline-formula><mml:math id="M122" display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> and
extrapolated in time (<inline-formula><mml:math id="M123" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>)
quantities (see Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S2"/> for details on the right-hand-side
terms of the SI system of equations); no decentering is applied to term <inline-formula><mml:math id="M124" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. We use the background state with constant reference temperature <inline-formula><mml:math id="M125" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>
and reference pressure <inline-formula><mml:math id="M126" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
(<inline-formula><mml:math id="M127" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a constant) to extract the linear terms in
Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E1"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E4"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E6"/>), and
(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E8"/>). First, the pressure gradient term of momentum equations
(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E1"/>) is split into linear and nonlinear contributions:

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M128" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{8.5}{8.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo mathsize="2.5em">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo mathsize="2.5em">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:munder><mml:mrow><mml:mo mathsize="2.5em">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo mathsize="2.5em">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mtext> linear term</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E20"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{8}{8}\selectfont$\displaystyle}?><mml:msub><mml:munder><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:msub><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:msub><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mtext> nonlinear term</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            <disp-formula id="Ch1.E21" content-type="numbered"><mml:math id="M129" display="block"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:msub><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          Here we use the fact that <inline-formula><mml:math id="M130" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msubsup><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. A similar relation is
derived for <inline-formula><mml:math id="M131" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of pressure in the analytic divergence
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E4"/>). The approximation of vertical integrals is described
in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S5.SS5"/>.</p>
      <p>The time-discretized divergence equation is written as

                <disp-formula id="Ch1.E22" specific-use="align" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M132" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E22.1"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">R</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E22.2"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>f</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E22.1"/>) is the divergence equation derived from the
momentum equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E1"/>) discretized in time via
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E18"/>); <inline-formula><mml:math id="M133" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">R</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the right-hand side (RHS)
of the corresponding vector equation. The RHS term
<inline-formula><mml:math id="M134" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">R</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is calculated with the discrete divergence
operator from Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S5.SS2"/>. Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E22.2"/>) is
based on the analytic divergence Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E4"/>). This equation allows
us to use the same Crank–Nicolson discretization in time for <inline-formula><mml:math id="M135" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and
<inline-formula><mml:math id="M136" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the two terms representing geostrophic balance.</p>
      <p>In the thermodynamic equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E6"/>), the Lagrangian time derivative
of <inline-formula><mml:math id="M137" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is discretized in the SL manner in the linear part of
the energy conversion term, whereas it is replaced by the RHS of continuity
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E8"/>) in the nonlinear part. The resulting time-discrete
equation is

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M138" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msup><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E23"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo mathsize="2.5em">(</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo mathsize="2.5em">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p>The continuity equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E8"/>) is discretized as follows:

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M139" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E24"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">P</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            Integration of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E24"/>) from model top to the ground
provides the expression for <inline-formula><mml:math id="M140" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> independent of
<inline-formula><mml:math id="M141" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, whereas the integration to the arbitrary level <inline-formula><mml:math id="M142" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:math></inline-formula> gives
the <inline-formula><mml:math id="M143" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>:

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M144" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">top</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E25"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">top</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:mo mathsize="2.5em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">P</mml:mi></mml:msub><mml:mo mathsize="2.5em">)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">top</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E26"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">top</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:mo mathsize="2.5em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">P</mml:mi></mml:msub><mml:mo mathsize="2.5em">)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            The RHS of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E25"/>) can easily be substituted for the <inline-formula><mml:math id="M145" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> term in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E26"/>), providing an equation
for <inline-formula><mml:math id="M146" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> which depends only on the <inline-formula><mml:math id="M147" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> unknown quantity.</p>
      <p>Equations (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E19"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E22.1 Ch1.E22.2"/>),
(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E23"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E25"/>), and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E26"/>)
and the definition of linear geopotential <inline-formula><mml:math id="M148" display="inline"><mml:mi>G</mml:mi></mml:math></inline-formula> (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E21"/>) form the system
of linear equations for time-level <inline-formula><mml:math id="M149" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> variables <inline-formula><mml:math id="M150" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The solution procedure for this system is as
follows. First, if an analytically derived divergence equation
(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E22.2"/>) is used, the relative vorticity <inline-formula><mml:math id="M151" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is
excluded by substitution from Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E19"/>). Then,
Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E25"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E26"/>) are substituted in
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E23"/>) to obtain an expression for <inline-formula><mml:math id="M152" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
that depends only on <inline-formula><mml:math id="M153" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. This expression and
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E25"/>) are used to eliminate <inline-formula><mml:math id="M154" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and
<inline-formula><mml:math id="M155" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the <inline-formula><mml:math id="M156" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> definition Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E21"/>).
Therefore, we obtain the pair of equations that contains only <inline-formula><mml:math id="M157" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and
<inline-formula><mml:math id="M158" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> unknowns. With the aid of vertical discretization (see
Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S5.SS5"/>), this pair can be written as

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M159" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E27"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi mathvariant="bold-italic">G</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">D</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">H</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E28"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">D</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">G</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">R</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">R</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            where <inline-formula><mml:math id="M160" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">G</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M161" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">D</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M162" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">R</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are columns of
<inline-formula><mml:math id="M163" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Nlev</mml:mi></mml:math></inline-formula> (number of model levels) components, with the <inline-formula><mml:math id="M164" display="inline"><mml:mi>l</mml:mi></mml:math></inline-formula>th component
representing the corresponding horizontal field at the level <inline-formula><mml:math id="M165" display="inline"><mml:mi>l</mml:mi></mml:math></inline-formula>;
<inline-formula><mml:math id="M166" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">H</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">R</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">R</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
<inline-formula><mml:math id="M167" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M168" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M169" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi></mml:math></inline-formula> are the matrices of discrete
vertical operators (resulting from vertical integration; see details in
Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S3"/>). The coefficient <inline-formula><mml:math id="M170" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is used for the
standard divergence equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E22.1"/>) and <inline-formula><mml:math id="M171" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the
analytically derived divergence equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E22.2"/>);
<inline-formula><mml:math id="M172" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">R</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> corresponds to the RHS term of the relevant divergence equation.</p>
      <p>Substituting <inline-formula><mml:math id="M173" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">D</mml:mi></mml:math></inline-formula> from Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E28"/>) in
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E27"/>) and using eigenvalue decomposition
<inline-formula><mml:math id="M174" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">Λ</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> results in
<inline-formula><mml:math id="M175" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Nlev</mml:mi></mml:math></inline-formula> 2-D Helmholtz problems for components of
<inline-formula><mml:math id="M176" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> vector. The solution procedure for Helmholtz
problems is described in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S6.SS2"/>. Once <inline-formula><mml:math id="M177" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">G</mml:mi></mml:math></inline-formula> is found, we
can find the divergence <inline-formula><mml:math id="M178" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">D</mml:mi></mml:math></inline-formula> with Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E27"/>) and use it
to calculate <inline-formula><mml:math id="M179" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M180" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M181" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
and <inline-formula><mml:math id="M182" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (see Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E25"/>, <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E26"/>,
<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E23"/>, <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E19"/>). The <inline-formula><mml:math id="M183" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>th time-step
calculations are finalized by reconstruction of the horizontal wind
<inline-formula><mml:math id="M184" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as described in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S6.SS1"/> and calculation of
<inline-formula><mml:math id="M185" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> and recalculation of <inline-formula><mml:math id="M186" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> (Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S5.SS5"/>).</p>
      <p>We have also implemented an iterative time-integration scheme
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx8" id="paren.49"/> in addition to the time discretization described
above. The basic discretization is used at first iteration to obtain
first-guess <inline-formula><mml:math id="M187" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> time-step fields <inline-formula><mml:math id="M188" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. At the second iteration, we replace the time-extrapolated
nonlinear terms <inline-formula><mml:math id="M189" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the equations and time-extrapolated wind
velocity <inline-formula><mml:math id="M190" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> involved in the upstream trajectory
computations with those obtained using <inline-formula><mml:math id="M191" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> time-step first-guess values.
Using this iterative approach allows us to improve stability and use larger
time steps without degrading accuracy.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S4.SS2">
  <title>Inherently mass-conserving model semi-implicit formulation</title>
      <p>The inherently mass-conserving (IMC) version of the model
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx31" id="paren.50"/> uses a continuity equation in the finite-volume
form (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E9"/>). The nonlinearity of this equation is hidden in the
trajectory computation or equivalently in the evolution of the Lagrangian
cell <inline-formula><mml:math id="M192" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The equation is linearized using the
orography-dependent reference pressure profile <inline-formula><mml:math id="M193" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ref</mml:mi></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ref</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where
<inline-formula><mml:math id="M194" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ref</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1013.25</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">hPa</mml:mi><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The following equation is
            <disp-formula id="Ch1.E29" content-type="numbered"><mml:math id="M195" display="block"><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{8.5}{8.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:munder><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:munder><mml:mo mathsize="2.5em">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ref</mml:mi></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ref</mml:mi></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mo mathsize="2.5em">)</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          where <inline-formula><mml:math id="M196" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ref</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The equation for mass-conservative update of
<inline-formula><mml:math id="M197" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is obtained with discretization of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E29"/>)
using the scheme (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E18"/>) and its integration from model top
to bottom:

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M198" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">top</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ref</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Nlev</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:mo mathsize="2.5em">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ref</mml:mi></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi><mml:mo mathvariant="bold">+</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E30"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ref</mml:mi></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi></mml:msup><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:msub><mml:mo mathsize="2.5em">)</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Nlev</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:munder><mml:mo mathsize="2.5em">(</mml:mo><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ref</mml:mi></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi></mml:msup><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ref</mml:mi></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo mathvariant="bold">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi><mml:mo mathvariant="bold">+</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn><mml:msub><mml:mo mathvariant="bold">)</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mo mathsize="2.5em">)</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            where <inline-formula><mml:math id="M199" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the surface pressure averaged over
<inline-formula><mml:math id="M200" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The departure volume integrals are evaluated using CCS-3D
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx32" id="paren.51"/>.</p>
      <p>Using an orography-dependent reference pressure profile is crucial for
stability in mountainous regions. The term <inline-formula><mml:math id="M201" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ref</mml:mi></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi><mml:mo mathvariant="bold">+</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, however, cannot be
expanded in terms of model prognostic variables, so it is very difficult to
solve the system of equations similar to those formulated in
Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S4.SS1"/>, but with a mass-conservative equation for
<inline-formula><mml:math id="M202" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E30"/>) instead of
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E25"/>). Therefore, the following procedure is
implemented. First, we run a time step of the non-mass-conserving model
version, solve the semi-implicit system as it is formulated in
Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S4.SS1"/>, and obtain the <inline-formula><mml:math id="M203" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> time-step horizontal wind
<inline-formula><mml:math id="M204" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Then the mass-conservative update of <inline-formula><mml:math id="M205" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E30"/>), is calculated.</p>
      <p><?xmltex \hack{\newpage}?>We achieve inherent mass conservation, however, at the cost of introducing
some inconsistency between the surface pressure and horizontal wind fields.
This results in a slight noise in the regions with steep orography, but does
not significantly affect the model accuracy. The greater problem not solved
yet is the consistency between dry air and tracer mass, so the IMC model
version now is rather a research option.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="Ch1.S5">
  <title>Spatial discretization</title>
<sec id="Ch1.S5.SS1">
  <title>Horizontal grid</title>
      <p>The SL-AV20 model incorporates a reduced latitude–longitude grid with
variable resolution in latitude. The grid consists of points located on the
latitudes <inline-formula><mml:math id="M206" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M207" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Nlat</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with longitude spacing
<inline-formula><mml:math id="M208" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M209" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
The number of points on a grid latitude is reduced polewards of the Equator.
The pole points are assumed to be the grid latitudes. The regular
latitude–longitude grid is the special case of the grid described above with
constant latitude spacing and the same number of points on each grid
latitude.</p>
      <p>Formally, the model algorithms can work with any set of <inline-formula><mml:math id="M210" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and
<inline-formula><mml:math id="M211" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. However, the choice of these crucially affects accuracy.
The grids are constructed with the algorithm of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx4" id="text.52"/>. This
algorithm generates the set of <inline-formula><mml:math id="M212" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> that satisfy grid smoothness
constraints (to avoid spurious wave reflection at the regions of abrupt
spacing change) and match the desired grid spacing latitude dependence as
close as possible. Then, given <inline-formula><mml:math id="M213" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the total number of grid
points, the algorithm optimizes <inline-formula><mml:math id="M214" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to minimize the error of
interpolation of an analytic test function to some finer grid.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S5.SS2">
  <title>Discretization of horizontal gradient, divergence and vorticity operators</title>
      <p>The following fourth-order accurate formula is applied to evaluate the first
derivative:
            <disp-formula id="Ch1.E31" content-type="numbered"><mml:math id="M215" display="block"><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{8.5}{8.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">27</mml:mn><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">27</mml:mn><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">24</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          where <inline-formula><mml:math id="M216" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> can be either <inline-formula><mml:math id="M217" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:math></inline-formula> or <inline-formula><mml:math id="M218" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi></mml:math></inline-formula>; <inline-formula><mml:math id="M219" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a scalar quantity
or vector component. However, we use an unstaggered grid and need the values
of <inline-formula><mml:math id="M220" display="inline"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> to be located at the same points as
<inline-formula><mml:math id="M221" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:math></inline-formula>; thus, we interpolate <inline-formula><mml:math id="M222" display="inline"><mml:mrow><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to the integer nodes of the grid using fourth-order
Lagrangian interpolation. To calculate divergence and vorticity, fourth-order
Lagrangian interpolation is used to obtain vector components at the grid
half-nodes. Then a second-order locally conservative formula is applied to
calculate the meridional derivative:

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M223" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E32"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            The longitudinal derivative is evaluated with Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E31"/>) as in the
gradient operator.</p>
      <p><?xmltex \hack{\newpage}?>To account for the variable resolution in latitude, we introduce
pseudo-latitude <inline-formula><mml:math id="M224" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, such that the grid is equally spaced in
<inline-formula><mml:math id="M225" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx43" id="paren.53"><named-content content-type="pre">following</named-content></xref>. Then the meridional derivative
<inline-formula><mml:math id="M226" display="inline"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The derivative
<inline-formula><mml:math id="M227" display="inline"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> and inverse mapping factor
<inline-formula><mml:math id="M228" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are calculated using
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E31"/>).</p>
      <p>The longitudinal derivatives are calculated in the grid-point space, whereas
Fourier representation in longitude
            <disp-formula id="Ch1.E33" content-type="numbered"><mml:math id="M229" display="block"><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{8.5}{8.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:munder><mml:mo mathsize="1.1em">(</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo mathsize="1.1em">)</mml:mo><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          is used to calculate meridional derivatives on the reduced lat–lon grid. The
meridional derivatives of <inline-formula><mml:math id="M230" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M231" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are calculated and then
the inverse Fourier transform is applied to obtain the values of derivatives
in grid-point space. If <inline-formula><mml:math id="M232" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the number of points at the grid latitude
<inline-formula><mml:math id="M233" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the wavenumbers <inline-formula><mml:math id="M234" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can not be represented, so it is
natural to set <inline-formula><mml:math id="M235" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M236" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and their derivatives to zero at this
latitude.</p>
      <p>The disadvantage of Fourier transform is the necessity of global
communications in parallel implementation, which could lead to poor
scalability. The calculation of meridional derivatives in the grid point
space is implemented as an option. The points in the reduced grid are not
aligned along meridian lines. Therefore, the interpolation along longitude is
carried out first to obtain the values of <inline-formula><mml:math id="M237" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:math></inline-formula> at the needed longitude and
then Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E31"/>) is applied to obtain half-integer values of
derivatives. The similar approach was applied in <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx16" id="paren.54"/>. We
have tested this grid point algorithm and there is no impact on the results
for the baroclinic test case presented in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S9"/> as compared
with the computations in Fourier space as described above.</p>
      <p>Calculation of meridional derivatives near the poles using
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E31"/>) requires the values of <inline-formula><mml:math id="M238" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:math></inline-formula> at virtual latitudes
<inline-formula><mml:math id="M239" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and
<inline-formula><mml:math id="M240" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Nlat</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Nlat</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. If one
continues the meridional line <inline-formula><mml:math id="M241" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi></mml:math></inline-formula> beyond the pole, it will coincide
with <inline-formula><mml:math id="M242" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Thus
<inline-formula><mml:math id="M243" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi></mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M244" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi></mml:math></inline-formula>
is 0 for scalar quantities and 1 for vector components (the latter is due to
change of basis vectors orientation after <inline-formula><mml:math id="M245" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:math></inline-formula> phase shift). It is easy to
show that <inline-formula><mml:math id="M246" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the
similar relations take place for <inline-formula><mml:math id="M247" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
<inline-formula><mml:math id="M248" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Nlat</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
<inline-formula><mml:math id="M249" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Nlat</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p>To evaluate divergence and vorticity at the pole point, one uses the fact
that the scalar quantities can have only <inline-formula><mml:math id="M250" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> non-zero Fourier
coefficients at the pole point to be uniquely defined. The fourth-order
accurate Lagrangian interpolation is applied to obtain <inline-formula><mml:math id="M251" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> polar
values from known <inline-formula><mml:math id="M252" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at adjacent latitudes (including virtual
latitudes). Similarly, vector components can have only <inline-formula><mml:math id="M253" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
<inline-formula><mml:math id="M254" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> non-zero Fourier coefficients at the pole point (this corresponds
to the unique value of the vector quantity at the pole point and basis
vectors dependent on longitude). Fourier coefficients of gradient components
are also interpolated to the pole point.</p>
      <p>The IMC version of the model <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx31" id="paren.55"/> also requires
calculation of a flux-divergence operator <inline-formula><mml:math id="M255" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where
<inline-formula><mml:math id="M256" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is some scalar function. For mass conservation
<inline-formula><mml:math id="M257" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> over the whole sphere must
hold up to machine precision. This operator is discretized <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx44" id="paren.56"><named-content content-type="pre">as
described in</named-content></xref> in the flux form with fourth-order
accuracy. In the IMC version, this operator with <inline-formula><mml:math id="M258" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> replaces the
divergence operator described above.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S5.SS3">
  <title>Discretization of the horizontal Laplace operator</title>
      <p>The Laplace operator arises in the time-discrete divergence
equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E22.1 Ch1.E22.2"/>). In the case of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E22.1"/>)
derived in a discrete way from momentum equations (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E1"/>) (which
is considered standard in SL-AV20) <inline-formula><mml:math id="M259" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> appears in the implicit part,
whereas in the explicit part it stands as the product of discrete divergence
and gradient operators (see Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S4"/> for details). If analytical
divergence equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E22.2"/>) is used, <inline-formula><mml:math id="M260" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is present
in both implicit and explicit parts of equation.</p>
      <p>If the discrete-derived divergence equation is used, the compact
finite-difference (CompFD) approximation of the meridional derivatives in the
Laplace operator is applied, for their smaller truncation errors. CompFDs
discretization require matrix inversion that generaly causes the parallel
scalability problems. However, using CompFDs to discretize Laplace operator
in the implicit part of divergence equation is not a computational burden,
since it is already involved in the matrix inversion problem (see
Sects. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S4"/>, <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S6.SS2"/>).</p>
      <p>The Laplace operator is discretized using Fourier representation in
longitude. The meridional part of Laplacian is discretized with double
application of compact formula for the first derivative:

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M261" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">24</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">24</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E34"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            The longitudinal part of <inline-formula><mml:math id="M262" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the Fourier image of product of two
longitudinal derivatives defined by Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E31"/>).

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M263" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E35"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{8.5}{8.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo mathsize="2.5em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">261</mml:mn><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">36</mml:mn><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">192</mml:mn><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mo mathsize="2.5em">)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            Further details about compact finite-difference approximation of <inline-formula><mml:math id="M264" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
operator are in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S6.SS2"/>.</p>
      <p>The main objective of using the analytically derived divergence equation
(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E22.2"/>) is time-symmetric discretization, which
theoretically leads to better inertia-gravity wave dispersion properties
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx2" id="paren.57"/>. Temporal symmetry means that the same discretization
of <inline-formula><mml:math id="M265" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is used in implicit and explicit parts of the divergence
equation. We do not use CompFDs for approximation of the Laplace operator to
avoid matrix inversion in the explicit part of the equation. The following
approximation to <inline-formula><mml:math id="M266" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is used:

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M267" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo mathsize="2.5em">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">16</mml:mn><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">30</mml:mn><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">16</mml:mn><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo mathsize="2.5em">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E36"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo mathsize="2.5em">(</mml:mo><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo mathsize="2.5em">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            At the pole points, Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E36"/>) is transformed to

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M268" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Nlat</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Nlat</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E37"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Nlat</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Nlat</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E38"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            which preserves the formal order of accuracy and local conservation of the
whole <inline-formula><mml:math id="M269" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> discretization. <inline-formula><mml:math id="M270" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>±</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the above equations are evaluated using Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E31"/>); the
overbar indicates the zonal average.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S5.SS4">
  <title>Nonlinear terms</title>
      <p>The calculation of nonlinear terms can give rise to nonlinear instability,
when the interaction of the shortest scales leads to the exaggerated
contribution to the largest scales. We use spatial averaging to suppress this
kind of instability. The following formulae do not have a strict theoretical
basis, but they are rather a result of experience in optimizing model
performance.</p>
      <p>The first type of nonlinear term is a scalar-by-scalar product, namely <inline-formula><mml:math id="M271" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M272" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in vorticity and analytic divergence equations (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E2"/>)
and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E4"/>):

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M273" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">16</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>±</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:mo mathsize="2.5em">[</mml:mo><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E39"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mo mathsize="2.5em">]</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            The term <inline-formula><mml:math id="M274" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is computed in a similar way. Surprisingly, this leads to
better medium-range forecast scores as compared to the formula with the
increased weight of the central term <inline-formula><mml:math id="M275" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p>Before computing nonlinear terms involving first-order derivatives in
<inline-formula><mml:math id="M276" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi></mml:math></inline-formula> or <inline-formula><mml:math id="M277" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:math></inline-formula> (components of <inline-formula><mml:math id="M278" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M279" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M280" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), these
derivatives are averaged in the direction perpendicular to the direction of
differentiation; e.g., <inline-formula><mml:math id="M281" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is averaged
in latitude. The averaging formula is
            <disp-formula id="Ch1.E40" content-type="numbered"><mml:math id="M282" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="2.5em">(</mml:mo><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo mathsize="2.5em">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          where <inline-formula><mml:math id="M283" display="inline"><mml:mi>j</mml:mi></mml:math></inline-formula> is index in the direction perpendicular to <inline-formula><mml:math id="M284" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The constant <inline-formula><mml:math id="M285" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
for <inline-formula><mml:math id="M286" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M287" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> derivatives, <inline-formula><mml:math id="M288" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math id="M289" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> components. The horizontal wind components and temperature
are averaged in 2-D for computation of <inline-formula><mml:math id="M290" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E3"/>),
<inline-formula><mml:math id="M291" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E5"/>) and terms involving <inline-formula><mml:math id="M292" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in momentum
(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E1"/>) and thermodynamic (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E6"/>) equations:

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M293" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="2.5em">(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">8</mml:mn><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>±</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo mathsize="2.5em">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E41"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="2.5em">(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">8</mml:mn><mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>±</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mo mathsize="2.5em">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p>Equations (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E39"/>)–(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E41"/>) are valid in the case of
constant latitudinal resolution. To account for the variable resolution, we
mention that
<inline-formula><mml:math id="M294" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and
multiply all <inline-formula><mml:math id="M295" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>±</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>±</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>-type
combinations in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E39"/>) and <inline-formula><mml:math id="M296" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>±</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> terms of
Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E40"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E41"/>) by <inline-formula><mml:math id="M297" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>±</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p>No averaging is applied for computations of terms involving the coefficients
of hybrid coordinate system <inline-formula><mml:math id="M298" display="inline"><mml:mi>A</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M299" display="inline"><mml:mi>B</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and their derivatives. Also, no
averaging is applied for computation of <inline-formula><mml:math id="M300" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">moist</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> term in
thermodynamic equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E6"/>) and hydrostatic
equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E10"/>) terms.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S5.SS5">
  <title>Vertical discretization</title>
      <p>We use a Lorenz-staggered grid <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx21" id="paren.58"/> in the vertical where all
variables, except vertical velocity <inline-formula><mml:math id="M301" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, are located at integer
levels <inline-formula><mml:math id="M302" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (cell centers) and <inline-formula><mml:math id="M303" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is located at half-levels
<inline-formula><mml:math id="M304" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (cell interfaces). Integer grid levels are set to
<inline-formula><mml:math id="M305" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M306" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> corresponds to the model
top, and <inline-formula><mml:math id="M307" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Nlev</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is at the Earth's surface. Similarly to
<inline-formula><mml:math id="M308" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the hybrid coordinate system coefficient
<inline-formula><mml:math id="M309" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and the same holds for <inline-formula><mml:math id="M310" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
<inline-formula><mml:math id="M311" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the same is implied for <inline-formula><mml:math id="M312" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M313" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and other variables. The vertical derivatives are
approximated with a second order of accuracy
<inline-formula><mml:math id="M314" display="inline"><mml:mrow><mml:mo mathsize="1.1em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mo mathsize="1.1em">)</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p>It is almost standard for hydrostatic atmospheric models to use
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx34" id="text.59"/> vertical discretization, where the geopotential is
calculated at half-levels <inline-formula><mml:math id="M315" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by integrating the hydrostatic
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E10"/>) with the mid-point quadrature rule and then
interpolated to the integer levels. It was found that the trapezoidal rule
allowing us to calculate geopotential directly at the integer levels is more
accurate. Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E10"/>) is integrated in the following way:

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M316" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E42"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Nlev</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Nlev</mml:mi></mml:msub><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Nlev</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E43"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p>The vertical integrals in the time-discrete continuity equation
(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E24"/>) and also Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E25"/>) and
(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E26"/>) are calculated using the mid-point rule. At the end of
each time step, the vertical velocity is recalculated via the diagnostic
relation derived from the Eulerian form of the continuity
equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E8"/>):
            <disp-formula id="Ch1.E44" content-type="numbered"><mml:math id="M317" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mo mathsize="2.5em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mo mathsize="2.5em">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="2.5em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo mathsize="2.5em">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          Integration of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E44"/>) from <inline-formula><mml:math id="M318" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math id="M319" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
using mid-point rule and vertical boundary conditions gives

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M320" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo mathsize="2.5em">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo mathsize="2.5em">)</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:mo mathsize="2.5em">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo mathsize="2.5em">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E45"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo mathsize="2.5em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mo mathsize="2.5em">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            The expression for <inline-formula><mml:math id="M321" display="inline"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> can be obtained
by setting <inline-formula><mml:math id="M322" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Nlev</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E45"/>) and using
<inline-formula><mml:math id="M323" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Nlev</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. After substituting this expression back
to Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E45"/>) for arbitrary <inline-formula><mml:math id="M324" display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M325" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be evaluated. The term
<inline-formula><mml:math id="M326" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is calculated using standard divergence
discretization (see Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S5.SS2"/>), second-order averaging is
applied to <inline-formula><mml:math id="M327" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in latitude (longitude) before computing
<inline-formula><mml:math id="M328" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M329" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). To retrieve the vertical velocity
<inline-formula><mml:math id="M330" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> for calculation of upstream trajectories (see
Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S3"/>) and terms of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E2"/>), <inline-formula><mml:math id="M331" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is interpolated to integer levels with
second-order accuracy and divided by <inline-formula><mml:math id="M332" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> which is proxy for <inline-formula><mml:math id="M333" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="Ch1.S6">
  <title>Elliptic problem solution</title>
<sec id="Ch1.S6.SS1">
  <title>Wind velocity reconstruction</title>
      <p>Following <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx44" id="text.60"/>, the definitions of
<inline-formula><mml:math id="M334" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">k</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M335" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are
applied to reconstruct the horizontal wind from the known vertical component
of relative vorticity and horizontal divergence. Fourier representation in
longitude Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E33"/>) is used. The relations for the <inline-formula><mml:math id="M336" display="inline"><mml:mi>u</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M337" display="inline"><mml:mi>v</mml:mi></mml:math></inline-formula>
<inline-formula><mml:math id="M338" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:math></inline-formula>th Fourier components are

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M339" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E46"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi>u</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E47"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi>v</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi>D</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            These relations are integrated in latitude with the compact formula
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx19" id="paren.61"/>:

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M340" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">24</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">24</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E48"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            where <inline-formula><mml:math id="M341" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M342" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi>D</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) is
substituted for <inline-formula><mml:math id="M343" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> on the left-hand side and
<inline-formula><mml:math id="M344" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M345" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) is substituted for <inline-formula><mml:math id="M346" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:math></inline-formula>
on the right-hand side. The resulting Fourier coefficients for horizontal
wind components at half-grid latitudes are interpolated to the integer grid
latitudes using sixth-order compact interpolation <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx19" id="paren.62"/>.</p>
      <p>The <inline-formula><mml:math id="M347" display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula>th Fourier coefficients of horizontal wind components are determined
solving

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M348" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E49"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mfenced close="" open="{"><mml:mtable class="array" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E50"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mfenced close="" open="{"><mml:mtable class="array" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            where <inline-formula><mml:math id="M349" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is approximated using Numerov's scheme:
            <disp-formula id="Ch1.E51" content-type="numbered"><mml:math id="M350" display="block"><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{8.5}{8.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p>If <inline-formula><mml:math id="M351" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">A</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M352" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are
<inline-formula><mml:math id="M353" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Nlat</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>-element columns, with the <inline-formula><mml:math id="M354" display="inline"><mml:mi>j</mml:mi></mml:math></inline-formula>th element representing
<inline-formula><mml:math id="M355" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M356" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at the <inline-formula><mml:math id="M357" display="inline"><mml:mi>j</mml:mi></mml:math></inline-formula>th grid latitude, and then
system (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E49"/>) can be written as
            <disp-formula id="Ch1.E52" content-type="numbered"><mml:math id="M358" display="block"><mml:mrow><mml:mfenced close="" open="{"><mml:mtable class="array" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">A</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">A</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">A</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          where <inline-formula><mml:math id="M359" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the diagonal matrix with
<inline-formula><mml:math id="M360" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M361" display="inline"><mml:mi>j</mml:mi></mml:math></inline-formula>th component of column
<inline-formula><mml:math id="M362" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">A</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is <inline-formula><mml:math id="M363" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M364" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi></mml:math></inline-formula> is
matrix with diagonals <inline-formula><mml:math id="M365" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. We multiply the system of
Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E52"/>) by matrix <inline-formula><mml:math id="M366" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi></mml:math></inline-formula> from the left and rewrite it
for <inline-formula><mml:math id="M367" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> pairs, <inline-formula><mml:math id="M368" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Nlat</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> that
results in <inline-formula><mml:math id="M369" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> block tri-diagonal system of equations. The same
operations repeated for system (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E50"/>) yields <inline-formula><mml:math id="M370" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> block
tri-diagonal system of equations for <inline-formula><mml:math id="M371" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The
details of this solver are given in <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx44" id="text.63"/>. As shown in
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx2" id="text.64"/>, this solver alleviates the problems associated with
non-symmetric discretization in time. Also, it avoids the solution of Poisson problem on the sphere
which requires certain care due to non-trivial kernel of Laplace operator.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S6.SS2">
  <title>Helmholtz problem solution</title>
      <p>The discrete Helmholtz problem for <inline-formula><mml:math id="M372" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:math></inline-formula> – the <inline-formula><mml:math id="M373" display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula>th Fourier harmonic of
arbitrary quantity can be written in the column-matrix notation of
Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S6.SS1"/> as <inline-formula><mml:math id="M374" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">ψ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ψ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">R</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
where <inline-formula><mml:math id="M375" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a discrete Laplace operator, <inline-formula><mml:math id="M376" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is some scalar,
<inline-formula><mml:math id="M377" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">R</mml:mi></mml:math></inline-formula> is <inline-formula><mml:math id="M378" display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula>th Fourier harmonic of RHS. When divergence equation
(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E22.1"/>) derived from time-discrete momentum equation
(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E1"/>) is used, the meridional part of <inline-formula><mml:math id="M379" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> operator is
approximated by double application of compact finite-difference formula for
the first derivative Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E34"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E35"/>) is used
for the approximation of longitudinal part of Laplacian. The resulting 4th
order accurate Helmholtz problem discretization is
            <disp-formula id="Ch1.E53" content-type="numbered"><mml:math id="M380" display="block"><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{8.5}{8.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">ψ</mml:mi><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ψ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">R</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          where operator <inline-formula><mml:math id="M381" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> acts on quantities defined at half-integer grid
points, the <inline-formula><mml:math id="M382" display="inline"><mml:mi>j</mml:mi></mml:math></inline-formula>th component of <inline-formula><mml:math id="M383" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ψ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is
<inline-formula><mml:math id="M384" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M385" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi></mml:math></inline-formula> acts on quantities defined at integer
grid points, the <inline-formula><mml:math id="M386" display="inline"><mml:mi>j</mml:mi></mml:math></inline-formula>th component of <inline-formula><mml:math id="M387" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">ψ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is
<inline-formula><mml:math id="M388" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M389" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M390" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are
tri-diagonal matrices with diagonals <inline-formula><mml:math id="M391" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">24</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">24</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> acting on quantities
defined at integer and half-integer points, respectively. Matrix <inline-formula><mml:math id="M392" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi></mml:math></inline-formula>
is the same as in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E52"/>), and matrix <inline-formula><mml:math id="M393" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is
diagonal with a <inline-formula><mml:math id="M394" display="inline"><mml:mi>j</mml:mi></mml:math></inline-formula>th diagonal element <inline-formula><mml:math id="M395" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p>Following <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx45" id="text.65"/>, Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E53"/>) is multiplied by
<inline-formula><mml:math id="M396" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">MC</mml:mi></mml:math></inline-formula> from the left side and reformulated using auxiliary
variable <inline-formula><mml:math id="M397" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">ψ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>:

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M398" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E54"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ψ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">MC</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">R</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E55"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">ψ</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            Then Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E54"/>) is rewritten for the pairs
<inline-formula><mml:math id="M399" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M400" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Nlat</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> that results in <inline-formula><mml:math id="M401" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
block tri-diagonal system as in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S6.SS1"/>.</p>
      <p>Approximation Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E36"/>) to the <inline-formula><mml:math id="M402" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> operator is used when
the analytically derived divergence equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E22.2"/>) is
employed in the system of Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E27"/>) and
(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E28"/>). This approximation leads to a five-diagonal system of
equations for <inline-formula><mml:math id="M403" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">ψ</mml:mi></mml:math></inline-formula> components which is solved by five-diagonal
Gaussian elimination.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="Ch1.S7">
  <title>Dissipation mechanisms</title>
<sec id="Ch1.S7.SS1">
  <title>Fourth-order hyper-diffusion</title>
      <p>Nonlinear interactions in the complex large-scale atmospheric flows result in
generation of progressively smaller eddies until these eddies are converted
to heat by molecular viscosity at the scales on the order of <inline-formula><mml:math id="M404" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">cm</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
Such scales are far beyond the affordable resolution of atmospheric models.
Therefore, the parameterization of unresolved scale interactions and
dissipation is needed to avoid accumulation of energy at smaller scales. Such
parameterizations are often considered the integral part of the atmospheric
model dynamical core <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx50" id="paren.66"/>. The SL-AV20 model includes the
implicit in time fourth-order diffusion implemented in Fourier space with the
finite volume representation in latitude <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx42" id="paren.67"/>. This
algorithm, allowing variable resolution in latitude, is a generalization of
that one presented in <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx20" id="paren.68"/>. We start with the equation
            <disp-formula id="Ch1.E56" content-type="numbered"><mml:math id="M405" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          where <inline-formula><mml:math id="M406" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is one of <inline-formula><mml:math id="M407" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M408" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M409" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
<inline-formula><mml:math id="M410" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M411" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the filtered quantity.
Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E56"/>) uses implicit time-stepping that allows us to
circumvent severe limitation on <inline-formula><mml:math id="M412" display="inline"><mml:mi>K</mml:mi></mml:math></inline-formula> near the grid poles, <inline-formula><mml:math id="M413" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the
same as in the rest of the model dynamics. Also, as shown in <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx20" id="text.69"/>, the
<inline-formula><mml:math id="M414" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> diffusion with implicit time-stepping effectively dumps the
shortest zonal waves in the vicinity of poles that helps to avoid the
instability associated with finite-difference discretization of spherical
differential operators containing <inline-formula><mml:math id="M415" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in denominator.</p>
      <p>SL-AV20 uses variable-resolution grids, so the filter should not excessively
dissipate smaller-scale features in high-resolution regions. However, these
features should be damped out before they spread to the low-resolution
regions where they cannot be resolved. We use an anisotropic diffusion
coefficient that varies with latitude; the <inline-formula><mml:math id="M416" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is substituted for
<inline-formula><mml:math id="M417" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">K</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to preserve local conservation,
<inline-formula><mml:math id="M418" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">K</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">diag</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. To facilitate numerical
solution, Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E56"/>) is reformulated as
            <disp-formula id="Ch1.E57" content-type="numbered"><mml:math id="M419" display="block"><mml:mtable class="array" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">K</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
          We use a second-order finite-volume formula to approximate the latitudinal
part of <inline-formula><mml:math id="M420" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">K</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M421" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> operators:

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M422" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo mathsize="1.1em">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">K</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:msub><mml:mo mathsize="1.1em">)</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="2.5em">(</mml:mo><mml:msub><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E58"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="2.5em">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            where <inline-formula><mml:math id="M423" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M424" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M425" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Longitudinal part
of <inline-formula><mml:math id="M426" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">K</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M427" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is approximated in Fourier
space as the Fourier image of second-order discretization.</p>
      <p>The system Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E57"/>) using (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E58"/>) can be written
for zonal wavenumber <inline-formula><mml:math id="M428" display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> as

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M429" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi><mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mtable class="array" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi><mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mtable class="array" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mtable class="array" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E59"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mtable class="array" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E60"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mtable class="matrix" columnalign="center center" framespacing="0em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi></mml:msub><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mtable class="matrix" columnalign="center center" framespacing="0em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E61"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mtable class="matrix" columnalign="center center" framespacing="0em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            where <inline-formula><mml:math id="M430" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the Fourier
image of longitudinal part of discrete Laplace operator. This system is
solved using <inline-formula><mml:math id="M431" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> block tri-diagonal version of Gauss elimination.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S7.SS2">
  <title>Sponge layer</title>
      <p>The divergence damping at the vertical levels close to the model top is used
to avoid spurious reflection of vertically propagating waves from the upper
rigid lid (<inline-formula><mml:math id="M432" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at the <inline-formula><mml:math id="M433" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> boundary condition). The term
<inline-formula><mml:math id="M434" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is included in the RHS of the discrete divergence
equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E22.1 Ch1.E22.2"/>). Implicit time-stepping allows a wide
admissible range of values for damping coefficient <inline-formula><mml:math id="M435" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi></mml:math></inline-formula> without
complicating the solution of system (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E27"/>),
(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E28"/>).</p>
</sec>
</sec>
<sec id="Ch1.S8">
  <title>Parallel implementation</title>
      <p>The SL-AV20 model uses hybrid distributed-shared memory parallelism based on
a combination of MPI and OpenMP technologies. Each MPI process performs
computations in the band of grid latitudes during the first phase of the time
step that includes upstream trajectory computations, interpolation and
combination of known terms into the RHS of an SI system of equations (see
Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S4"/>). OpenMP threads are used to parallelize longitude loops,
thus dividing the latitude belt into a number of parts.</p>
      <p>The second phase of the SL-AV20 time step consists in solving the SI system
of equations, application of fourth-order hyper-diffusion
(Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S7"/>) and reconstruction of wind velocity from vorticity
and divergence (Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S6.SS1"/>). This phase is mostly the solution of
elliptic problems. To apply the direct solvers described in
Sects. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S6"/> and <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S7"/>, it is convenient to gather <inline-formula><mml:math id="M436" display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula>th
Fourier coefficients from all grid latitudes in the memory of a specific MPI
process. Therefore, the second phase of the SL-AV20 time step is preceded by
data transposition. Each MPI process performs computations within the set of
longitude wavenumbers from pole to pole. OpenMP parallelization of loops in
the vertical is applied.</p>
      <p>To balance the workload of MPI processes, the widths of corresponding
latitude bands are calculated accounting for the grid reduction, so each
process treats approximately the same number of grid points. There is an
additional constraint of current implementation that all grid points for a
given latitude should be located at the same processor. There is no load
balance problem in Fourier-space computations, as the processor partition is
the same as for a regular grid. One can additionally adjust load balance by
taking into account that some parameterizations only work in some latitude
bands.</p>
      <p>The data transpositions before and after the solution of elliptical problems
require global communications between the processors. This will become a
problem on future massively parallel computers and so the work has started to
implement scalable iterative grid-point solvers for elliptic problems into
SL-AV model. It is known that iterative solvers for problems described in
Sects. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S4"/>, <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S6"/>, <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S7"/> can scale up to tens
of thousands processors <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx23" id="paren.70"/>. The semi-Lagrangian
advection code is also known to scale at <inline-formula><mml:math id="M437" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> processors <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx49" id="paren.71"/>.</p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F1"><caption><p>Parallel acceleration of the SL-AV20 experimental configuration on
the grid of 3024 by 1513 points with respect to 504 cores (red line); linear
acceleration – black line.</p></caption>
        <?xmltex \igopts{width=199.169291pt}?><graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/10/1961/2017/gmd-10-1961-2017-f01.pdf"/>

      </fig>

      <p>Currently, the full SL-AV20 code with parameterizations runs at 3024 cores
with 70 % efficiency, at 4536 cores with 63 % efficiency, and at 9072
cores with 45 % efficiency when using the grid of 3024 by 1513 points in
longitude and latitude, respectively (see Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F1"/>). This grid
corresponds to 13 km resolution at the Equator and has 51 levels in the
vertical. The parallel efficiency is defined here as
<inline-formula><mml:math id="M438" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">100</mml:mn><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="italic">%</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">504</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M439" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the number of
computational cores, and <inline-formula><mml:math id="M440" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the parallel
acceleration at <inline-formula><mml:math id="M441" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> cores relative to the run at 504 cores
(<inline-formula><mml:math id="M442" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is equal to the ratio of wall times at 504
cores and <inline-formula><mml:math id="M443" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> cores). Only 288 cores are needed to meet HMCR
operational NWP requirements (20 min per 24 model hours) at the current
operational horizontal grid of 1600 by 865 points.</p>
      <p>The parallel efficiency of the current SL-AV20 implementation is limited by
use of 1-D MPI decomposition and need for global communications
(transpositions). The global communications due to data transpositions are
also needed in spectral hydrostatic semi-implicit semi-Lagrangian dynamical
cores. However, SL-AV20 can compute all the horizontal derivatives in the
grid-point space, while they are computed in spectral space and so included
in data transposition procedures in spectral models. So the number of
variables that undergo data transposition in SL-AV20 code is significantly
smaller.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S9">
  <title>Numerical experiments</title>
      <p>Verification of atmospheric models' dynamical cores with idealized adiabatic
(moist-adiabatic, quasi-adiabatic) test cases such as <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx10" id="text.72"/>,
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx14" id="text.73"/>, <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx27" id="text.74"/>, and <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx41" id="text.75"/> has gained in
popularity in the last few years. The reason is that various aspects of model
numerics can be evaluated in an easier way using an idealized setup than real
atmospheric flow with all its complexity. Also, the numerical solutions to
idealized tests are independent of sub-grid-scale process parameterizations.</p>
      <p>The complete verification of the SL-AV20 dynamical core with all its options
would require a separate article. Here we concentrate on the impact of the
horizontal grid aspects on the numerical solution, namely, the grid reduction
and resolution refinement (see Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S5.SS1"/>). The results
presented below are obtained with the baseline NWP setup of the SL-AV20
dynamical core with no inherent mass conservation and divergence
equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E22.1"/>) derived from the discrete form of the
momentum equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E1"/>).</p>
      <p>The grids with <inline-formula><mml:math id="M444" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">400</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">250</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M445" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">800</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">500</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M446" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1600</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">865</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> points
in longitude and latitude, respectively, and 28 levels in the vertical are
used in this study. The first and last horizontal grids correspond to the old
and new SL-AV operational NWP configurations at HMCR. The algorithm proposed
by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx4" id="text.76"/> is used to obtain variable resolution and reduced variants
of these grids. The latitude grid spacing is refined in the Northern
Hemisphere mid-latitudes. The reduced grids used in this study have about
25 % less points than their regular counterparts. Following our experience with shallow water model
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx44" id="paren.77"/> and advection <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx32" id="paren.78"/>
experiments, 25 % reduction is almost the greatest reduction that does not
significantly deteriorate the solution accuracy. The characteristics of grids
used in this study are summarized in Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F2"/>.</p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F2"><caption><p>Latitude grid spacing (solid lines) of <inline-formula><mml:math id="M447" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">400</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">250</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (red), <inline-formula><mml:math id="M448" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">800</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">500</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (green) and <inline-formula><mml:math id="M449" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1600</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">865</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (blue) variable-resolution latitude–longitude grids. Dotted lines
indicate longitude grid spacing of the
corresponding reduced grids. Dashed lines show latitude grid spacing in the
constant-resolution grids with the same number of latitudes.</p></caption>
        <?xmltex \igopts{width=213.395669pt}?><graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/10/1961/2017/gmd-10-1961-2017-f02.pdf"/>

      </fig>

      <p>The time step for all variants of the <inline-formula><mml:math id="M450" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">400</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">250</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> grid is 1200 <inline-formula><mml:math id="M451" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:math></inline-formula>
and is reduced by the factor <inline-formula><mml:math id="M452" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">400</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">Nlon</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for finer grids
(<inline-formula><mml:math id="M453" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Nlon</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the number of grid points along the Equator). These
time-step values are consistent with the SL-AV20 operational NWP setup. The
basic <inline-formula><mml:math id="M454" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> hyper-diffusion coefficients in <inline-formula><mml:math id="M455" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">400</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">250</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> grid
experiments are <inline-formula><mml:math id="M456" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1.5</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">15</mml:mn></mml:msup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/></mml:mrow></mml:math></inline-formula><inline-formula><mml:math id="M457" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for relative vorticity
and temperature and <inline-formula><mml:math id="M458" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1.9</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">15</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M459" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for divergence;
the hyper-diffusion coefficients for finer grids are reduced by the factor
<inline-formula><mml:math id="M460" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The latitudinal component of the hyper-diffusion coefficient (see
Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S7"/>) varies with latitudinal grid spacing
<inline-formula><mml:math id="M461" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where
<inline-formula><mml:math id="M462" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Nlat</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M463" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the basic
coefficient value for the given grid.</p>
<sec id="Ch1.S9.SS1">
  <title>Baroclinic instability test case</title>
      <p>In the baroclinic instability test case by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx14" id="text.79"/>, the small zonal
wind perturbation of the geostrophically balanced background state is placed
in the Northern Hemisphere mid-latitudes. After initial adjustment, the
perturbation causes exponential growth of the baroclinic wave (days 1–7)
until it breaks down (days 7–10) and transforms to the fully chaotic
solution in the course of another 20 days.</p>
      <p>As can be seen from figures in <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx14" id="text.80"/> and <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx48" id="text.81"/>, the surface
pressure and temperature fields rapidly converge to the smooth large-scale
pattern with the resolution increase. Contrarily, the relative vorticity
field of the breaking wave consists of
filaments that become more and more twisted and thinner with greater
amplitude when the grid resolution is increased. Each step of grid refinement
reveals new smaller-scale features in this field.</p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F3" specific-use="star"><caption><p>Day 9 relative vorticity at 850 hPa in the baroclinic instability
test. Left column – SL-AV20 solutions using regular lat–lon grids with
constant latitude resolution: <bold>(a)</bold> <inline-formula><mml:math id="M464" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">400</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">250</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
<bold>(c)</bold> <inline-formula><mml:math id="M465" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">800</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">500</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <bold>(d)</bold> <inline-formula><mml:math id="M466" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1600</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">865</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Right column:
<bold>(b)</bold>, <bold>(d)</bold>, <bold>(e)</bold> – the same as the left column, but
using reduced lat–lon grids with variable resolution in latitude.</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=412.564961pt}?><graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/10/1961/2017/gmd-10-1961-2017-f03.pdf"/>

        </fig>

      <p>Our particular interest is the net effect of increasing latitudinal and
reducing longitudinal resolution in the zone of interest, i.e., Northern
Hemisphere mid-latitudes. Figure <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F3"/> presents the
comparison of a day 9 850 <inline-formula><mml:math id="M467" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">hPa</mml:mi></mml:math></inline-formula> relative vorticity field between
numerical solutions on regular lat–lon grids with constant grid spacing in
latitude and reduced lat–lon grids with variable latitudinal resolution. The
absolute values of vorticity and its gradients are greater and the inner
structure of the vortices is more developed in the solutions at <inline-formula><mml:math id="M468" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">400</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">250</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M469" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">800</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">500</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> variable-resolution reduced grids as compared to the
solutions obtained at the corresponding regular grids. The improvement in the
<inline-formula><mml:math id="M470" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1600</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">865</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> grid solution is less obvious, which can be partly
attributed to the convergence. Slightly stronger development of the leftmost
and middle vortices can be noticed in the variable-resolution solution after
closer consideration. However, some subtle details of the rightmost vortex
are lost due to the grid reduction (see discussion below).</p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F4" specific-use="star"><caption><p>The same as Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F3"/>, but lat–lon grids with
variable resolution in latitude (no reduction) in the left column.</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=412.564961pt}?><graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/10/1961/2017/gmd-10-1961-2017-f04.pdf"/>

        </fig>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F5" specific-use="star"><caption><p>The 1000-day time-zonal averaged zonal wind speed (<inline-formula><mml:math id="M471" display="inline"><mml:mi>U</mml:mi></mml:math></inline-formula>), temperature
(<inline-formula><mml:math id="M472" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>), momentum flux (<inline-formula><mml:math id="M473" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), heat flux (<inline-formula><mml:math id="M474" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), eddy kinetic energy and
temperature variance in the Held–Suarez test. Panels
<bold>(a)</bold>–<bold>(f)</bold> – shading shows a reduced grid solution with
variable resolution in latitude; contours show a regular grid solution with
constant latitudinal resolution. Panels <bold>(g)</bold>–<bold>(l)</bold> – shading
shows the difference between regular and reduced grid solutions with constant
resolution in latitude (regular minus reduced); overlaid contours depict the
regular grid solution.</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=369.885827pt}?><graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/10/1961/2017/gmd-10-1961-2017-f05.pdf"/>

        </fig>

      <?xmltex \floatpos{p}?><fig id="Ch1.F6" specific-use="star"><caption><p>The 500 <inline-formula><mml:math id="M475" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">hPa</mml:mi></mml:math></inline-formula> kinetic energy spectra at middle and high
latitudes in the Held–Suarez test. Reduced grid with variable resolution in
latitude (red line), reduced grid with constant latitudinal resolution (green
line), and regular grid with constant latitudinal resolution (blue line).</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=327.206693pt}?><graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/10/1961/2017/gmd-10-1961-2017-f06.png"/>

        </fig>

      <p>To isolate the effect of the grid reduction, we compare the day 9
850 <inline-formula><mml:math id="M476" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">hPa</mml:mi></mml:math></inline-formula> relative vorticity snapshots from the variable-resolution
grid solutions with and without reduction of longitudinal resolution
(Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F4"/>). Except for the leading vortex on the
<inline-formula><mml:math id="M477" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1600</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">865</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> grid, the difference between the solutions using the reduced
and non-reduced grids can hardly be found. Therefore, the reduction of
longitudinal resolution does not lead to the degradation of a solution. At
the same time, one can hope that reproduction of mid-latitude pressure system
dynamics can be improved using variable resolution in latitude. Nevertheless,
it should be noted that the effect of latitudinal resolution refinement is
weaker than the effect of increasing the resolution of the basic grid.</p>
      <p>One can see in Figs. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F3"/> and <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F4"/> that
SL-AV20 solutions are smooth and no evidence of grid-scale noise or any other
type of noise can be found. This does not compromise the reproduction of
smaller-scale details, gradient strength and amplitude of the relative
vorticity field, which are in good agreement with the solutions of comparable
resolution: ICON <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx51" id="paren.82"/>, ECHAM <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx48" id="paren.83"><named-content content-type="pre">presented in</named-content></xref>,
CAM-FV, CAM-EUL, CAM-SLD, and GME <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx13" id="paren.84"><named-content content-type="pre">compared in</named-content></xref>. The
surface pressure error norms with respect to the CAM-SLD reference solution
(not shown) are below the uncertainty level <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx14" id="paren.85"/>, similar to the
previous version of the SL-AV model <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx31" id="paren.86"/>.</p>
      <p>The time-step values consistent with our operational NWP practice lead to
only modest advective CFL numbers of about 1 at day 9 and 2 at day 20 in this
test case. So the model stability is tested with larger time steps. There are
no problems with stability of solution and no accuracy degradation (in terms
of comparison with the reference solution), with the time step 2 times larger
than the basic one. As the time step is increased by a factor of 3, we face a
small-scale noise in the horizontal divergence field that contaminates the
physical solution after day 9 of simulation. The issue can be circumvented by
increasing the <inline-formula><mml:math id="M478" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> hyper-diffusion coefficient 10 times only for
divergence. Increasing the diffusion coefficient for divergence does not
significantly affect the accuracy (in terms of the difference to the
reference solution) and reproduction of smaller-scale relative vorticity
features.</p>
      <p>We believe that the stability challenge in this test is not the advection,
but the treatment of nonlinear terms of equations. Therefore, it is difficult
to obtain a stable solution with larger time steps even if a semi-implicit SL
formulation is used. Also, it should be noted that the semi-implicit SL
reference solution from <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx14" id="text.87"/> is obtained using a time-step value
even smaller than our basic one (at a similar horizontal resolution).</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S9.SS2">
  <title>Held–Suarez test</title>
      <p>The goal of the <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx10" id="text.88"/> experiment is to verify statistical
properties of the atmospheric model circulation driven by highly idealized
forcing – the relaxation of temperature to the equilibrium profile and
Rayleigh friction near the surface. The resulting atmospheric regime is a
balance between non-uniform heating, polewards transport of heat and momentum
by baroclinic eddies and destruction of the momentum in the boundary layer.
Thus, the accurate representation of baroclinic motions in the mid-latitudes
plays a crucial role for the test results.</p>

      <?xmltex \floatpos{p}?><fig id="Ch1.F7" specific-use="star"><caption><p>Day 15 <inline-formula><mml:math id="M479" display="inline"><mml:mi>u</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M480" display="inline"><mml:mi>v</mml:mi></mml:math></inline-formula> wind components and geopotential height at
700 hPa in the mountain-induced Rossby wave test. Left column – SL-AV20
solution at <inline-formula><mml:math id="M481" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1600</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">865</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math id="M482" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">300</mml:mn><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Right column –
the same as the left column, but with <inline-formula><mml:math id="M483" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">900</mml:mn><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=384.112205pt}?><graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/10/1961/2017/gmd-10-1961-2017-f07.png"/>

        </fig>

      <p>Both lat–lon grid reduction and local increase in latitudinal resolution can
modify the intensity of eddy heat and momentum fluxes and thus alter the net
circulation characteristics. Figure <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F5"/>a–f presents the 1000-day
time-zonal averaged zonal wind speed, temperature, eddy heat and momentum
fluxes, eddy kinetic energy and temperature variance. Shading shows the
solution at a <inline-formula><mml:math id="M484" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">400</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">250</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> reduced grid with variable resolution in
latitude; a regular grid solution with constant latitudinal resolution is
shown by contours. One can note a slight increase of Northern Hemisphere eddy
momentum flux (near 300 <inline-formula><mml:math id="M485" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">hPa</mml:mi></mml:math></inline-formula>) and temperature variance (near
900 <inline-formula><mml:math id="M486" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">hPa</mml:mi></mml:math></inline-formula>) maximum values. The eddy heat flux in the Southern
Hemisphere at 300 <inline-formula><mml:math id="M487" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">hPa</mml:mi></mml:math></inline-formula> is slightly degraded in the variable-resolution
solution that can be a co-effect of grid reduction and increased latitudinal
grid spacing. The color levels of eddy kinetic energy to the north of
<inline-formula><mml:math id="M488" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">45</mml:mn><mml:mo>∘</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> N in Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F5"/>e are extended polewards as compared to
the corresponding contours of a regular grid solution. That means more
intensive eddy motions at high latitudes in the variable-resolution reduced
grid solution.</p>
      <p>The standalone effect of grid reduction can be evaluated from panels (g) to
(l) in Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F5"/>. The shading shows the difference between constant
latitudinal resolution regular and reduced grid solutions (regular minus
reduced); the contours of regular grid solution are overlaid for reference.
The majority of features depicted in these panels are explained by the shift
in jet-stream cores which is rather the result of internal low-frequency
variability of test solutions <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx47" id="paren.89"/> than a consequence of grid
reduction. We can find no significant decrease in polewards eddy fluxes due
to suppression of the shortest-scale motions in the regions with reduced
longitudinal resolution.</p>
      <p>Figure <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F6"/> presents 500 <inline-formula><mml:math id="M489" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">hPa</mml:mi></mml:math></inline-formula> kinetic energy spectra from
three numerical solutions (regular, reduced, reduced with variable resolution
in latitude) in Northern Hemisphere mid-latitudes (left panel) and high
latitudes (right panel). To obtain the corresponding spectra, <inline-formula><mml:math id="M490" display="inline"><mml:mi>u</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M491" display="inline"><mml:mi>v</mml:mi></mml:math></inline-formula> are
multiplied by the window function equal to 1 in a 30–<inline-formula><mml:math id="M492" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">60</mml:mn><mml:mo>∘</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> N (to
the north of <inline-formula><mml:math id="M493" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">70</mml:mn><mml:mo>∘</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> N in the case of a high-latitude spectrum) and
<inline-formula><mml:math id="M494" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mo>∘</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> width smooth transition to the zero value outside. The lines
corresponding to the regular and reduced grid solutions are almost identical
at mid-latitudes for all wavenumbers, whereas the variable-resolution
solution shows more intensive smaller-scale motions. The effect of variable
resolution at high latitudes also outweighs the effect of grid reduction.</p>
      <p>We also repeated a numerical experiment with the time step of 2700 <inline-formula><mml:math id="M495" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:math></inline-formula>
(<inline-formula><mml:math id="M496" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">400</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">250</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> grid) that yields the maximum advective CFL of about 4 after
day 200. The results are generally the same as for the basic time-step value
of 1200 <inline-formula><mml:math id="M497" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S9.SS3">
  <title>Mountain-induced Rossby wave test case</title>
      <p>The accuracy and stability of orography treatment in SL-AV20 is tested with
the mountain-induced Rossby wave case <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx15" id="paren.90"><named-content content-type="pre">Sect. 1.5 of</named-content></xref>. In
this test case, the initially balanced zonally symmetric flow interferes with
the idealized mountain located at <inline-formula><mml:math id="M498" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">30</mml:mn><mml:mo>∘</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> N that results in generating
a Rossby wave train type solution.</p>
      <p>It is well known that semi-implicit semi-Lagrangian models prone to
resonantly amplifying the stationary gravity wave feed back to the orography
forcing when the advective CFL number is greater than 1 (the so-called
spurious orographic resonance). Figure <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F7"/> compares two SL-AV20
solutions at a <inline-formula><mml:math id="M499" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1600</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">865</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> regular grid with constant latitudinal
resolution and <inline-formula><mml:math id="M500" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> equal to 300 and 900 <inline-formula><mml:math id="M501" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:math></inline-formula> that result in a
maximum zonal CFL of about 0.66 and 2, respectively. The two solutions in
Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F7"/>, however, look very similar and closely agree with the
reference solution from <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx15" id="text.91"/> and the solution from the spectral
non-hydrostatic dynamical core <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx33" id="text.92"/>. The geopotential height
field is smooth in both SL-AV20 solutions. The Rossby wave structure of wind
component fields is slightly distorted by small-scale noise downstream of the
mountain, which we attribute to the presence of physical inertia-gravity
waves. The <inline-formula><mml:math id="M502" display="inline"><mml:mi>u</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M503" display="inline"><mml:mi>v</mml:mi></mml:math></inline-formula> fields with <inline-formula><mml:math id="M504" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">900</mml:mn><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> look even less
noisy than in the <inline-formula><mml:math id="M505" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">300</mml:mn><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> solution. This can be explained
by more intensive gravity wave damping by the off-centered Crank–Nicolson
scheme at <inline-formula><mml:math id="M506" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">900</mml:mn><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The experiments using reduced grids with
constant and variable resolution in latitude lead to very similar test
results.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="Ch1.S10" sec-type="conclusions">
  <title>Conclusions</title>
      <p>We have described the dynamical core of the SL-AV20 (semi-Lagrangian, based
on the absolute vorticity equation) atmospheric model, thus summarizing all
recent developments in the model numerics (<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx4" id="author.93"/>,
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx4" id="year.94"/>; <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx44" id="author.95"/>,
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx44" id="year.96"/>; <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx31" id="author.97"/>,
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx31" id="year.98"/>; <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx32" id="author.99"/>,
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx32" id="year.100"/>). The model is applied to operational
global numerical weather prediction with 20 <inline-formula><mml:math id="M507" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">km</mml:mi></mml:math></inline-formula> resolution over
Russia. Also, its lower-resolution configuration is expected to be applied
for probabilistic long-range forecasts and is the basis for the development
of the new atmospheric component of the INMCM Earth system model
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx46" id="paren.101"/>.</p>
      <p>The main features of the model dynamical core are the vorticity-divergence
formulation at the unstaggered grid, a reduced latitude–longitude grid with
variable resolution in latitude, using high-order finite-difference formulae,
and semi-Lagrangian semi-implicit discretization. The number of grid points
in longitude at near-polar latitudes for the reduced grids constructed with
the algorithm by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx4" id="text.102"/> is an order of magnitude smaller than the
number of points at the Equator.</p>
      <p>The effects of the grid reduction and variable latitudinal resolution on
numerical solutions are investigated with two idealized tests – the
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx14" id="text.103"/> deterministic case and the <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx10" id="text.104"/> long-run
experiment. The results agree with other published model solutions. It is
shown that the reduction in the number of grid points by 25 % leads to only
moderate damping of the shortest longitudinal waves and does not degrade the
solution. At the same time, variable resolution in latitude allows us to
refine the grid in the region of interest and thus improve the solution
accuracy. Particularly, increasing latitudinal resolution in the Northern
Hemisphere results in sharper gradients and stronger development in the
relative vorticity field during unstable baroclinic wave breaking in the
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx14" id="text.105"/> test and more intensive mid-latitude eddy motions in the
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx10" id="text.106"/> test. In all tests, the evident positive effect of
increase in latitudinal resolution outweighs the slight negative effect of
grid reduction.</p>
      <p>The stability and accuracy of SL-AV20 in the presence of orography forcing is
tested using the mountain-induced Rossby wave test from <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx15" id="text.107"/>. The
solutions at various grids using different time-step values (CFL from 0.6 to
2) are very similar and are in good agreement with the results from other
models. We find no sign of resonant amplification of inertia-gravity wave
response to the orography.</p>
      <p>We hope that the dynamical core presented in the article will be used in
numerical weather prediction setups with a horizontal resolution of about
9 <inline-formula><mml:math id="M508" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">km</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Also, the ongoing application of SL-AV20 is foreseen in
seasonal forecasting and climate simulations. Currently, the experimental
SL-AV20 configuration with approximately 13 km horizontal resolution can
efficiently use up to 9000 cores. This is sufficient in a short-term
perspective, but will become a bottleneck after some years once exascale
computer architectures have been implemented. Therefore, our plans for future
development are mainly concerned with improvement of parallel efficiency. We
work on complete abandoning of Fourier-space computations to reduce global
communications (to date, we have successfully tested computation of
meridional derivatives at the reduced grid in the grid-point space).
Furthermore, we plan to implement 2-D domain decomposition and scalable
iterative grid-point solvers for elliptic problems which are known to scale
up to tens of thousands of processors <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx23" id="paren.108"/>. Also, we
test the SL-AV20 model with the Intel MIC architecture.</p><?xmltex \hack{\newpage}?>
</sec>

      
      </body>
    <back><notes notes-type="codeavailability">

      <p>The SL-AV20 dynamical core is used in the operational NWP
model at the Hydrometcentre of Russia, and so has certain limitations in
distribution. Its code is available to interested readers for research and
educational purposes; please contact Mikhail Tolstykh
(tolstykh@m.inm.ras.ru).</p>
  </notes><notes notes-type="dataavailability">

      <p>The results of numerical experiments and computational
grid data are available in the Supplement to the
article.</p>
  </notes><?xmltex \hack{\clearpage}?><app-group>

<app id="App1.Ch1.S1">
  <title>List of notations</title>
      <p><table-wrap id="Taba" position="anchor"><oasis:table><oasis:tgroup cols="2">
     <oasis:colspec colnum="1" colname="col1" align="left"/>
     <oasis:colspec colnum="2" colname="col2" align="justify" colwidth="369.885827pt"/>
     <oasis:tbody>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M509" display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">mean Earth radius</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M510" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M511" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">coefficients of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx34" id="text.109"/> hybrid vertical coordinate</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M512" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M513" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M514" display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula>th zonal wavenumber coefficients of <inline-formula><mml:math id="M515" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:math></inline-formula> Fourier representation in longitude</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M516" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M517" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">heat capacity of dry and moist air under constant pressure</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M518" display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">horizontal divergence</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M519" display="inline"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">the Coriolis parameter</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M520" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">source/sink of <inline-formula><mml:math id="M521" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:math></inline-formula> due to subgrid/diabatic processes</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M522" display="inline"><mml:mi>G</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">linear geopotential term</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M523" display="inline"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M524" display="inline"><mml:mi>j</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">longitude and latitude grid-point indices</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M525" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M526" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">Jacobian-like terms of absolute vorticity and divergence equations (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E2"/>, <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E4"/>)</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M527" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">vertical unit vector</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M528" display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M529" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">zonal wavenumber, the modified zonal wavenumber</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M530" display="inline"><mml:mi>l</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">vertical level index</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M531" display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">inverse mapping factor <inline-formula><mml:math id="M532" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M533" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Nlat</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M534" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Nlon</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M535" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Nlev</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">number of grid points in latitude, longitude and the vertical, respectively</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M536" display="inline"><mml:mi>p</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M537" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M538" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">pressure, constant reference pressure, surface pressure, respectively</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M539" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M540" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">reference pressure profile, reference surface pressure</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M541" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ref</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">orography-dependent reference surface pressure</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M542" display="inline"><mml:mi>q</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M543" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">specific concentrations of water vapor and liquid (solid) water species</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M544" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">vector pointing from the center of the sphere to the given point on its surface</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M545" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M546" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M547" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">moist</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">gas constants of dry air, water vapor and moist air, respectively</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M548" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M549" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">R</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M550" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M551" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M552" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">P</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">RHS of time-discrete absolute vorticity (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E19"/>), momentum, divergence (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E22.2"/>), thermodynamic (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E23"/>) and continuity (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E24"/>) equations, respectively</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M553" display="inline"><mml:mi mathvariant="fraktur">R</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">the rotation matrix</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M554" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">analog of vertical velocity used in thermodynamic and continuity equations (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E8"/>,<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E6"/>)</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M555" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">horizontal square of <inline-formula><mml:math id="M556" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>th vertical column of computational cells</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M557" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M558" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">temperature, virtual temperature</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M559" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">constant reference temperature</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M560" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">horizontal wind</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M561" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">computational cell</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M562" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">Lagrangian volume</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M563" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2"><xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx28" id="text.110"/> correction term for thermodynamic equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E6"/>)</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M564" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">grid spacing in longitude at <inline-formula><mml:math id="M565" display="inline"><mml:mi>j</mml:mi></mml:math></inline-formula>th grid latitude</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M566" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">vertical component of relative vorticity</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M567" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">hybrid vertical coordinate of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx34" id="text.111"/></oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M568" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">vertical speed in <inline-formula><mml:math id="M569" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:math></inline-formula> coordinate</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M570" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">longitude</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M571" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M572" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">latitude, <inline-formula><mml:math id="M573" display="inline"><mml:mi>j</mml:mi></mml:math></inline-formula>th grid latitude</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M574" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">pseudo-latitude</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M575" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">geopotential</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M576" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">surface geopotential</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M577" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">arbitrary quantity</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M578" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">Ω</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">Earth's angular velocity</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M579" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M580" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is evaluated at the departure point of upstream trajectory</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M581" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M582" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">average of <inline-formula><mml:math id="M583" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:math></inline-formula> over the <inline-formula><mml:math id="M584" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> cell or the <inline-formula><mml:math id="M585" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>-horizontal square</oasis:entry>
       </oasis:row>
     </oasis:tbody>
   </oasis:tgroup></oasis:table></table-wrap>
        <?xmltex \hack{\clearpage}?></p>
</app>

<app id="App1.Ch1.S2">
  <title>Right-hand side of the SI system</title>
      <p>The right-hand sides of the discrete in time equations formulated in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S4.SS1"/> are as follows:

              <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M586" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="2.5em">[</mml:mo><mml:mo mathsize="1.1em">(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:msubsup><mml:mo mathsize="1.1em">)</mml:mo><mml:mo>*</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo mathsize="1.1em">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:msubsup><mml:mo mathsize="1.1em">)</mml:mo><mml:mo>*</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo mathsize="1.1em">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:msup><mml:mo mathsize="1.1em">)</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E1"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>*</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi></mml:msub><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo mathsize="2.5em">]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          with a departure-point Coriolis term <inline-formula><mml:math id="M587" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
<inline-formula><mml:math id="M588" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the latitude of the departure point, <inline-formula><mml:math id="M589" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:msubsup><mml:mo mathsize="1.1em">)</mml:mo><mml:mo>*</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M590" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is divergence interpolated to the
departure point.</p>
      <p><disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M591" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E2"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">R</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="bold">Ω</mml:mi><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="fraktur">R</mml:mi><mml:mo mathsize="2.5em">[</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="bold">Ω</mml:mi><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E3"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msup><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">F</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo mathsize="2.5em">]</mml:mo><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

              <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M592" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E4"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{8.5}{8.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo mathsize="2.5em">(</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo mathsize="2.5em">)</mml:mo><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E5"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p>The right-hand side of the discretized in time thermodynamic equation
(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E23"/>):

              <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M593" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="2.5em">[</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo mathsize="2.5em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:msub><mml:mo mathsize="2.5em">)</mml:mo><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub><mml:mo mathsize="2.5em">]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E6"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>*</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

              <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M594" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo mathsize="2.5em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">moist</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="2.5em">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{8.5}{8.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo mathsize="2.5em">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo mathsize="2.5em">)</mml:mo><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E7"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          the terms of <inline-formula><mml:math id="M595" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> proportional to <inline-formula><mml:math id="M596" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> which
arise from substitution of <inline-formula><mml:math id="M597" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from
continuity equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E8"/>) are set <inline-formula><mml:math id="M598" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:math></inline-formula> when <inline-formula><mml:math id="M599" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Actually, <inline-formula><mml:math id="M600" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> only when <inline-formula><mml:math id="M601" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
and thermodynamic equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E6"/>) transforms to pure isobaric
coordinate form that does not contain <inline-formula><mml:math id="M602" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at all.</p>
      <p><disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M603" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">P</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="2.5em">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi></mml:msub><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup><mml:mo mathsize="2.5em">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E8"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="2.5em">[</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E9"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mo mathsize="2.5em">]</mml:mo><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

              <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M604" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo mathsize="2.5em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E10"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="2.5em">)</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
</app>

<app id="App1.Ch1.S3">
  <title>SI system matrices</title>
      <p>Following the column-matrix notation introduced at the end of
Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S4.SS1"/>, we define <inline-formula><mml:math id="M605" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">T</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M606" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">S</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M607" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">P</mml:mi></mml:math></inline-formula> as
vectors with a <inline-formula><mml:math id="M608" display="inline"><mml:mi>l</mml:mi></mml:math></inline-formula>th component representing <inline-formula><mml:math id="M609" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
<inline-formula><mml:math id="M610" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mi>l</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M611" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> 2-D fields, respectively, and
write Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E23"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E25"/>), and
(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E26"/>) as

              <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M612" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E11"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi mathvariant="bold-italic">T</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">W</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">P</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">W</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">S</mml:mi><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">R</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E12"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">P</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">CW</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">D</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">R</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E13"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">S</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi><mml:mo mathsize="1.5em">[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">P</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">W</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">D</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">R</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi></mml:msub><mml:mo mathsize="1.5em">]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M613" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M614" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the matrix of mid-point
rule integration from the model top to the ground,
<inline-formula><mml:math id="M615" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M616" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Nlev</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
<inline-formula><mml:math id="M617" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">W</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M618" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are diagonal matrices,
<inline-formula><mml:math id="M619" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>W</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
<inline-formula><mml:math id="M620" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>W</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
<inline-formula><mml:math id="M621" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>W</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M622" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the
two-diagonal matrix interpolating <inline-formula><mml:math id="M623" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to the integer vertical
levels, <inline-formula><mml:math id="M624" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Matrix
<inline-formula><mml:math id="M625" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi></mml:math></inline-formula> is diagonal, <inline-formula><mml:math id="M626" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Matrix
<inline-formula><mml:math id="M627" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> equals to the lower triangle (including main diagonal)
of <inline-formula><mml:math id="M628" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi></mml:math></inline-formula> and represents the operation of mid-point rule integration
from model top to some level <inline-formula><mml:math id="M629" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p>The definition of <inline-formula><mml:math id="M630" display="inline"><mml:mi>G</mml:mi></mml:math></inline-formula> (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E21"/>) in the column-matrix form is
          <disp-formula id="App1.Ch1.E14" content-type="numbered"><mml:math id="M631" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">G</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">T</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">P</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        with the matrix of vertical integration using trapezoidal rule
<inline-formula><mml:math id="M632" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">U</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">Φ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. <inline-formula><mml:math id="M633" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">Φ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a two-diagonal
matrix which represents the increment for the linear part of the geopotential
between the neighboring levels:
<inline-formula><mml:math id="M634" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Nlev</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Nlev</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">Nlev</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
<inline-formula><mml:math id="M635" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
<inline-formula><mml:math id="M636" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Nlev</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M637" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">U</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the upper triangular matrix
responsible for summation of the increments, <inline-formula><mml:math id="M638" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M639" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M640" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Nlev</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p>One can see that elimination of <inline-formula><mml:math id="M641" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">T</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M642" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">P</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M643" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">S</mml:mi></mml:math></inline-formula> from
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.E14"/>) using Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.E11"/>)–(<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.E13"/>) results in
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E27"/>) with <inline-formula><mml:math id="M644" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">W</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">W</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">BC</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
<inline-formula><mml:math id="M645" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">W</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p><?xmltex \hack{\clearpage}?><supplementary-material position="anchor"><p><bold>The Supplement related to this article is available online at <inline-supplementary-material xlink:href="http://dx.doi.org/10.5194/gmd-10-1961-2017-supplement" xlink:title="zip">doi:10.5194/gmd-10-1961-2017-supplement</inline-supplementary-material>.</bold></p></supplementary-material>
</app>
  </app-group><notes notes-type="authorcontribution">

      <p>All the authors contributed to SL-AV20 development. Mikhail Tolstykh is the principal developer of the previous version
of the SL-AV model, Vladimir Shashkin developed the IMC version of the model,
Rostislav Fadeev constructed the algorithm for variable-resolution reduced
grid generation and contributed to the infrastructure of the SL-AV20 model,
and Gordey Goyman developed the iterative time-stepping scheme and carried
out the numerical experiments. Vladimir Shashkin wrote the first-guess
article text. All co-authors contributed to model validation and the final
form of the article.</p>
  </notes><notes notes-type="competinginterests">

      <p>The authors declare that they have no conflict of
interest.</p>
  </notes><ack><title>Acknowledgements</title><p>The research has been carried out at the Institute of Numerical Mathematics
of the Russian Academy of Sciences and funded by the Russian Science
Foundation (grant no. 14-27-00126). The authors thank Sergey Kostrykin (INM
RAS) for proofreading the paper. We are grateful to two anonymous reviewers
for their valuable comments that helped to improve this
article.<?xmltex \hack{\newline}?><?xmltex \hack{\newline}?>Edited by: J. R. Maddison
<?xmltex \hack{\newline}?>Reviewed by: two anonymous referees</p></ack><ref-list>
    <title>References</title>

      <ref id="bib1.bibx1"><label>Bates et al.(1993)Bates, Moorthi, and Higgins</label><mixed-citation>Bates, J., Moorthi, S., and Higgins, R.: A global multilevel atmospheric
model
using a vector semi-Lagrangian finite-difference scheme. Part I: Adiabatic
formulation, Mon. Weather Rev., 121, 244–263,
<ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1175/1520-0493(1993)121&lt;0244:AGMAMU&gt;2.0.CO;2" ext-link-type="DOI">10.1175/1520-0493(1993)121&lt;0244:AGMAMU&gt;2.0.CO;2</ext-link>, 1993.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx2"><label>Caluwaerts et al.(2015)Caluwaerts, Degrauwe, Termonia, Voitus,
Bénard, and Geleyn</label><mixed-citation>Caluwaerts, S., Degrauwe, D., Termonia, P., Voitus, F., Bénard, P., and
Geleyn, J.-F.: Importance of temporal symmetry in spatial discretization for
geostrophic adjustment in semi-implicit Z-grid schemes, Q. J. Roy. Meteor.
Soc., 141, 128–138, <ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1002/qj.2344" ext-link-type="DOI">10.1002/qj.2344</ext-link>, 2015.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx3"><label>Colella and Woodward(1984)</label><mixed-citation>Colella, P. and Woodward, P.: The Piecewise Parabolic Method (PPM) for
Gas-Dynamical Simulations, J. Comput. Phys., 54, 174–201,
<ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1016/0021-9991(84)90143-8" ext-link-type="DOI">10.1016/0021-9991(84)90143-8</ext-link>, 1984.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx4"><label>Fadeev(2013)</label><mixed-citation>Fadeev, R.: Algorithm for Reduced Grid Generation on a Sphere for a Global
Finite-Difference Atmospheric Model, Comp. Math.
Math. Phys.+, 53, 237–252, <ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1134/S0965542513020073" ext-link-type="DOI">10.1134/S0965542513020073</ext-link>, 2013.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx5"><label>Fournier et al.(2004)Fournier, Taylor, and Tribbia</label><mixed-citation>Fournier, A., Taylor, M., and Tribbia, J.: The spectral element atmospheric
model: High-resolution parallel computation and response to regional forcing,
Mon. Weather Rev., 132, 726–748,
<ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1175/1520-0493(2004)132&lt;0726:TSEAMS&gt;2.0.CO;2" ext-link-type="DOI">10.1175/1520-0493(2004)132&lt;0726:TSEAMS&gt;2.0.CO;2</ext-link>, 2004.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx6"><label>Geleyn et al.(1994)Geleyn, Bazile, Bougeault, Deque, Ivanovici, Joly,
Labbe, Piedelievre, Piriou, and Royer</label><mixed-citation>
Geleyn, J.-F., Bazile, E., Bougeault, P., Deque, M., Ivanovici, V., Joly, A.,
Labbe, L., Piedelievre, J.-P., Piriou, J.-M., and Royer, J.-F.: Atmospheric
parameterization schemes in Meteo-France's ARPEGE N.W.P. model, in:
Parameterization of subgrid-scale physical processes, ECMWF Seminar
proceedings,  Reading, UK,  385–402, 1994.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx7"><label>Gerard et al.(2009)Gerard, Piriou, Brožková, Geleyn, and
Banciu</label><mixed-citation>Gerard, L., Piriou, J.-M., Brožková, R., Geleyn, J.-F., and
Banciu,
D.: Cloud and Precipitation Parameterization in a Meso-Gamma-Scale
Operational Weather Prediction Model, Mon. Weather Rev., 137, 3960–3977,
<ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1175/2009MWR2750.1" ext-link-type="DOI">10.1175/2009MWR2750.1</ext-link>, 2009.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx8"><label>Goyman(2015)</label><mixed-citation>
Goyman, G.: Analysis of the predictior-corrector time-integration scheme and
its implementation in the global SL-AV atmospheric model, Proceedings of
Hydrometcentre of Russia, 357, 16–32,
2015 (in Russian).</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx9"><label>Heikes and Randall(1995)</label><mixed-citation>Heikes, R. and Randall, D.: Numerical integration of the shallow-water
equations on a twisted icosahedral grid. Part I: Basic design and results
of tests, Mon. Weather Rev., 123, 1862–1880,
<ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1175/1520-0493(1995)123&lt;1881:NIOTSW&gt;2.0.CO;2" ext-link-type="DOI">10.1175/1520-0493(1995)123&lt;1881:NIOTSW&gt;2.0.CO;2</ext-link>, 1995.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx10"><label>Held and Suarez(1994)</label><mixed-citation>
Held, I. M. and Suarez, M. J.: A proposal for the intercomparison of the
dynamical cores of atmospheric general circulation models, B. Am.
Meteorol. Soc., 75, 1825–1830, 1994.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx11"><label>Holton(2004)</label><mixed-citation>
Holton, J. R.: An introduction to dynamic meteorology, vol. 88 of Int.
Geophys. Ser., Elsevier Academic Press, 4th Edn., 2004.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx12"><label>Hortal(2002)</label><mixed-citation>Hortal, M.: The development and testing of a new two-time-level
semi-Lagrangian
scheme (SETTLS) in the ECMWF forecast model, Q. J. Roy. Meteor. Soc., 128,
1671–1688, <ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1002/qj.200212858314" ext-link-type="DOI">10.1002/qj.200212858314</ext-link>, 2002.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx13"><label>Jablonowski and Williamson(2006a)</label><mixed-citation>
Jablonowski, C. and Williamson, D.: A Baroclinic Wave Test Case for Dynamical
Cores of General Circulation Models: Model Intercomparisons, NCAR Technical
Note NCAR/TN-469+STR, 2006a.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx14"><label>Jablonowski and Williamson(2006b)</label><mixed-citation>Jablonowski, C. and Williamson, D. L.: A baroclinic instability test case for
atmospheric model dynamical cores, Q. J. Roy. Meteor. Soc., 132, 2943–  2975, <ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1256/qj.06.12" ext-link-type="DOI">10.1256/qj.06.12</ext-link>, 2006b.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx15"><label>Jablonowski et al.(2008)Jablonowski, Lauritzen, Taylor, and
Nair</label><mixed-citation>Jablonowski, C., Lauritzen, P. H., Taylor, M., and Nair, R. D.: Idealized
test
cases for the dynamical cores of Atmospheric General Circulation Models, A
proposal for the NCAR ASP 2008 summer colloquium, available at:
<uri>http://www.cgd.ucar.edu/cms/pel/asp2008/idealized_testcases.pdf</uri> (last access: 20 September 2016),
2008.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx16"><label>Jablonowski et al.(2009)Jablonowski, Oehmke, and
Stout</label><mixed-citation>Jablonowski, C., Oehmke, R., and Stout, Q.: Block-structured adaptive meshes
and reduced grids for atmospheric general circulation models, Philos. T.
Roy. Soc. A, 367, 4497–4522, <ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1098/rsta.2009.0150" ext-link-type="DOI">10.1098/rsta.2009.0150</ext-link>, 2009.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx17"><label>Kurihara(1965)</label><mixed-citation>
Kurihara, Y.: Numerical Integration of the Primitive Equations on a Spherical
Grid, Mon. Weather Rev., 93, 399–415, 1965.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx18"><label>Lauritzen et al.(2008)Lauritzen, Kaas, Machenhauer, and
Lindberg</label><mixed-citation>Lauritzen, P., Kaas, E., Machenhauer, B., and Lindberg, K.: A
Mass-Conservative
Version of the Semi-Implicit Semi-Lagrangian HIRLAM, Q. J. Roy. Meteor.
Soc., 134, 1583–1595, <ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1002/qj.307" ext-link-type="DOI">10.1002/qj.307</ext-link>, 2008.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx19"><label>Lele(1992)</label><mixed-citation>
Lele, S.: Compact finite difference schemes with spectral-like resolution, J.
Comput. Phys., 103, 16–42, 1992.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx20"><label>Li and Bates(1994)</label><mixed-citation>
Li, Y. and Bates, J.: Direct solution of the implicit formulation of fourth
order horizontal diffusion for gridpoint models on the sphere, NASA GLA
Technical report series in atmospheric modelling and data assimilation, Vol.
2, 32 pp., 1994.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx21"><label>Lorenz(1960)</label><mixed-citation>
Lorenz, E.: Energy and numerical weather prediction, Tellus, 12, 364–373,
1960.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx22"><label>McDonald and Haugen(1993)</label><mixed-citation>McDonald, A. and Haugen, J. E.: A Two Time-Level, Three-Dimensional,
Semi-Lagrangian, Semi-implicit, Limited-Area Gridpoint Model of the
Primitive Equations. Part II: Extension to Hybrid Vertical Coordinates,
Mon. Weather Rev., 121, 2077–2087,
<ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1175/1520-0493(1993)121&lt;2077:ATTLTD&gt;2.0.CO;2" ext-link-type="DOI">10.1175/1520-0493(1993)121&lt;2077:ATTLTD&gt;2.0.CO;2</ext-link>, 1993.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx23"><label>Müller and Scheichl(2014)</label><mixed-citation>Müller, E. and Scheichl, R.: Massively parallel solvers for elliptic
partial
differential equations in numerical weather and climate prediction, Q. J.
Roy. Meteor. Soc., 140, 2608–2624, <ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1002/qj.2327" ext-link-type="DOI">10.1002/qj.2327</ext-link>, 2014.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx24"><label>Nair et al.(2002)Nair, Scroggs, and Semazzi</label><mixed-citation>Nair, R., Scroggs, J., and Semazzi, F.: Efficient Conservative Global
Transport
Schemes for Climate and Atmospheric Chemistry Models, Mon. Weather Rev., 130,
2059–2073, <ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1175/1520-0493(2002)130&lt;2059:ECGTSF&gt;2.0.CO;2" ext-link-type="DOI">10.1175/1520-0493(2002)130&lt;2059:ECGTSF&gt;2.0.CO;2</ext-link>, 2002.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx25"><label>Quaddouri and Lee(2011)</label><mixed-citation>Quaddouri, A. and Lee, V.: The Canadian Global Environmental Multiscale model
on the Yin-Yang grid system, Q. J. Roy. Meteor. Soc., 137, 1913–1926,
<ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1002/qj.873" ext-link-type="DOI">10.1002/qj.873</ext-link>, 2011.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx26"><label>Randall(1994)</label><mixed-citation>Randall, D.: Geostrophic adjustment and the finite-difference shallow water
equations, Mon. Weather Rev., 122, 1371–1377,
<ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1175/1520-0493(1994)122&lt;1371:GAATFD&gt;2.0.CO;2" ext-link-type="DOI">10.1175/1520-0493(1994)122&lt;1371:GAATFD&gt;2.0.CO;2</ext-link>, 1994.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx27"><label>Reed and Jablonowski(2012)</label><mixed-citation>Reed, K. A. and Jablonowski, C.: Idealized Tropical Cyclone Simulations of
Intermediate Complexity: A Test Case for AGCMs, J. Adv. Model. Earth Syst.,
4, M04001, <ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1029/2011MS000099" ext-link-type="DOI">10.1029/2011MS000099</ext-link>, 2012.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx28"><label>Ritchie and Tanguay(1996)</label><mixed-citation>Ritchie, H. and Tanguay, M.: A comparison of spatially averaged Eulerian and
semi-Lagrangian treatments of mountains, Mon. Weather Rev., 124, 167–181,
<ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1175/1520-0493(1996)124&lt;0167:ACOSAE&gt;2.0.CO;2" ext-link-type="DOI">10.1175/1520-0493(1996)124&lt;0167:ACOSAE&gt;2.0.CO;2</ext-link>,
1996.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx29"><label>Robert et al.(1985)Robert, Yee, and Ritchie</label><mixed-citation>Robert, A., Yee, T., and Ritchie, H.: A semi-Lagrangian and semi-implicit
numerical integration scheme for multilevel atmospheric models, Mon.
Weather
Rev., 113, 388–394, <ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1175/1520-0493(1985)113&lt;0388:ASLASI&gt;2.0.CO;2" ext-link-type="DOI">10.1175/1520-0493(1985)113&lt;0388:ASLASI&gt;2.0.CO;2</ext-link>,
1985.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx30"><label>Rochas(1990)</label><mixed-citation>
Rochas, M.: ARPEGE Documentation, Part 2, chap. 6, Météo-France,
Toulouse, France, 1990.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx31"><label>Shashkin and Tolstykh(2014)</label><mixed-citation>Shashkin, V. V. and Tolstykh, M. A.: Inherently mass-conservative version of
the semi-Lagrangian absolute vorticity (SL-AV) atmospheric model dynamical
core, Geosci. Model Dev., 7, 407–417, <ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.5194/gmd-7-407-2014" ext-link-type="DOI">10.5194/gmd-7-407-2014</ext-link>, 2014.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx32"><label>Shashkin et al.(2016)Shashkin, Fadeev, and
Tolstykh</label><mixed-citation>Shashkin, V., Fadeev, R., and Tolstykh, M.: 3D conservative cascade
semi-Lagrangian transport scheme using reduced latitude–longitude grid
(CCS-RG), J. Comput. Phys., 305, 700–721, <ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1016/j.jcp.2015.11.005" ext-link-type="DOI">10.1016/j.jcp.2015.11.005</ext-link>,
2016.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx33"><label>Simarro et al.(2013)Simarro, Homar, and Simarro</label><mixed-citation>Simarro, J., Homar, V., and Simarro, G.: A non-hydrostatic global spectral
dynamical core using a height-based vertical coordinate, Tellus A, 65,
20270,
<ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.3402/tellusa.v65i0.20270" ext-link-type="DOI">10.3402/tellusa.v65i0.20270</ext-link>, 2013.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx34"><label>Simmons and Burridge(1981)</label><mixed-citation>Simmons, A. J. and Burridge, D. M.: An Energy and Angular-Momentum Conserving
Vertical Finite-Difference Scheme and Hybrid Vertical Coordinates, Mon.
Weather
Rev., 109, 758–766, <ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1175/1520-0493(1981)109&lt;0758:AEAAMC&gt;2.0.CO;2" ext-link-type="DOI">10.1175/1520-0493(1981)109&lt;0758:AEAAMC&gt;2.0.CO;2</ext-link>,
1981.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx35"><label>Skamarock et al.(2012)Skamarock, Klemp, Duda, Fowler, Park, and
Ringler</label><mixed-citation>Skamarock, W. C., Klemp, J. B., Duda, M. G., Fowler, L. D., Park, S.-H., and
Ringler, T. D.: A Multiscale Nonhydrostatic Atmospheric Model Using
Centroidal Voronoi Tesselations and C-Grid Staggering, Mon. Weather Rev., 140,
3090–3105, <ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1175/MWR-D-11-00215.1" ext-link-type="DOI">10.1175/MWR-D-11-00215.1</ext-link>, 2012.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx36"><label>Staniforth and Côté(1991)</label><mixed-citation>Staniforth, A. and Côté, J.: Semi-Lagrangian integration schemes for
atmospheric models – A review, Mon. Weather Rev., 119, 2206–2223,
<ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1175/1520-0493(1991)119&lt;2206:SLISFA&gt;2.0.CO;2" ext-link-type="DOI">10.1175/1520-0493(1991)119&lt;2206:SLISFA&gt;2.0.CO;2</ext-link>, 1991.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx37"><label>Staniforth and Thuburn(2012)</label><mixed-citation>Staniforth, A. and Thuburn, J.: Horizontal grids for global weather and
climate
prediction models: a review, Q. J. Roy. Meteor. Soc., 138, 1–26,
<ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1002/qj.958" ext-link-type="DOI">10.1002/qj.958</ext-link>, 2012.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx38"><label>Staniforth et al.(2010)Staniforth, White, and
Wood</label><mixed-citation>Staniforth, A., White, A., and Wood, N.: Treatment of vector equations in
deep-atmosphere, semi-Lagrangian models. I: Momentum equation, Q. J.
Roy. Meteor. Soc., 136, 497–506, <ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1002/qj.562" ext-link-type="DOI">10.1002/qj.562</ext-link>, 2010.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx39"><label>Temperton(1997)</label><mixed-citation>Temperton, C.: Treatment of the Coriolis Terms in Semi-Lagrangian Spectral
Models, Atmosphere-Ocean, 35, sup1, 293–302,
<ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1080/07055900.1997.9687353" ext-link-type="DOI">10.1080/07055900.1997.9687353</ext-link>, 1997.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx40"><label>Temperton et al.(2001)Temperton, Hortal, and Simmons</label><mixed-citation>Temperton, C., Hortal, M., and Simmons, A.: A two-time-level
semi-Lagrangian
spectral global model, Q. J. Roy. Meteor. Soc., 127, 111–129,
<ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1002/qj.49712757107" ext-link-type="DOI">10.1002/qj.49712757107</ext-link>, 2001.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx41"><label>Thatcher and Jablonowski(2016)</label><mixed-citation>Thatcher, D. R. and Jablonowski, C.: A moist aquaplanet variant of the
Held–Suarez test for atmospheric model dynamical cores, Geosci. Model Dev.,
9, 1263–1292, <ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.5194/gmd-9-1263-2016" ext-link-type="DOI">10.5194/gmd-9-1263-2016</ext-link>, 2016.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx42"><label>Tolstykh(1997)</label><mixed-citation>
Tolstykh, M.: Implementation of the fourth-order horizontal diffusion in
Fourier space in the variable resolution spectral model, in: Research
activities in atmospheric and oceanic modelling, WMO WGNE Rep. N 25,
A. Staniforth, WMO, 1997.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx43"><label>Tolstykh(2003)</label><mixed-citation>Tolstykh, M.: Variable resolution global semi-Lagrangian atmospheric model,
Russian J. Numer. Anal. Math. Model, 18, 347–361,
<ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1515/156939803769210993" ext-link-type="DOI">10.1515/156939803769210993</ext-link>, 2003.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx44"><label>Tolstykh and Shashkin(2012)</label><mixed-citation>Tolstykh, M. and Shashkin, V.: Vorticity-divergence mass-conserving
semi-Lagrangian shallow-water model using the reduced grid on the sphere,
J. Comput. Phys., 231, 4205–4233, <ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1016/j.jcp.2012.02.016" ext-link-type="DOI">10.1016/j.jcp.2012.02.016</ext-link>, 2012.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx45"><label>Tolstykh(2002)</label><mixed-citation>Tolstykh, M. A.: Vorticity-Divergence Semi-Lagrangian Shallow-Water Model
of
the Sphere Based on Compact Finite Differences, J. Comput. Phys., 179,
180–200, <ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1006/jcph.2002.7050" ext-link-type="DOI">10.1006/jcph.2002.7050</ext-link>, 2002.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx46"><label>Volodin et al.(2017)Volodin, Mortikov, Kostrykin, Galin, Lykossov,
Gritsun, Diansky, Gusev, and Iakovlev</label><mixed-citation>Volodin, E. M., Mortikov, E. V., Kostrykin, S. V., Galin, V. Y., Lykossov,
V. N., Gritsun, A. S., Diansky, N. A., Gusev, A. V., and Iakovlev, N. G.:
Simulation of the present-day climate with the climate model INMCM5, Clim.
Dynam.,    <ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1007/s00382-017-3539-7" ext-link-type="DOI">10.1007/s00382-017-3539-7</ext-link>, online first, 2017.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx47"><label>Wan et al.(2008)Wan, Giorgetta, and Bonaventura</label><mixed-citation>Wan, H., Giorgetta, M., and Bonaventura, L.: Ensemble Held–Suarez Test with
a
Spectral Transform Model: Variability, Sensitivity, and Convergence, Mon.
Weather Rev., 136, 1075–1092, <ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1175/2007MWR2044.1" ext-link-type="DOI">10.1175/2007MWR2044.1</ext-link>, 2008.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx48"><label>Wan et al.(2013)Wan, Giorgetta, Zangl, Restelli, Majewski,
Bonaventura, Fruhlich, Reinert, Ripodas, Kornblueh, and Forstner</label><mixed-citation>Wan, H., Giorgetta, M. A., Zängl, G., Restelli, M., Majewski, D.,
Bonaventura, L., Fröhlich, K., Reinert, D., Rípodas, P., Kornblueh, L.,
and Förstner, J.: The ICON-1.2 hydrostatic atmospheric dynamical core on
triangular grids – Part 1: Formulation and performance of the baseline
version, Geosci. Model Dev., 6, 735–763, <ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.5194/gmd-6-735-2013" ext-link-type="DOI">10.5194/gmd-6-735-2013</ext-link>, 2013.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx49"><label>White III and Dongarra(2011)</label><mixed-citation>White III, J. and Dongarra, J.: High-performance high-resolution tracer
transport on a sphere, J. Comput. Phys., 230, 6778–6799,
<ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1016/j.jcp.2011.05.008" ext-link-type="DOI">10.1016/j.jcp.2011.05.008</ext-link>, 2011.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx50"><label>Williamson(2007)</label><mixed-citation>Williamson, D.: The Evolution of Dynamical Cores for Global Atmospheric
Models,
J. Meteorol. Soc. Jpn., 85B, 241–269, <ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.2151/jmsj.85B.241" ext-link-type="DOI">10.2151/jmsj.85B.241</ext-link>, 2007.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx51"><label>Zangl et al.(2015)Zangl, Reinert, Ripodas, and Baldauf</label><mixed-citation>Zangl, G., Reinert, D., Ripodas, P., and Baldauf, M.: The ICON (ICOsahedral
Non-hydrostatic) modelling framework of DWD and MPI-M: Description of the
non-hydrostatic dynamical core, Q. J. Roy. Meteor. Soc., 141, 563–579,
<ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1002/qj.2378" ext-link-type="DOI">10.1002/qj.2378</ext-link>, 2015.</mixed-citation></ref>

  </ref-list><app-group content-type="float"><app><title/>

    </app></app-group></back>
    <!--<article-title-html>Vorticity-divergence semi-Lagrangian global atmospheric model SL-AV20: dynamical core</article-title-html>
<abstract-html><p class="p">SL-AV (semi-Lagrangian, based on the absolute vorticity equation)
is a global hydrostatic atmospheric model. Its latest version, SL-AV20,
provides global operational medium-range weather forecast with 20 km
resolution over Russia. The lower-resolution configurations of SL-AV20 are
being tested for seasonal prediction and climate modeling.</p><p class="p">The article presents the model dynamical core. Its main features are a
vorticity-divergence formulation at the unstaggered grid, high-order
finite-difference approximations, semi-Lagrangian semi-implicit
discretization and the reduced latitude–longitude grid with variable
resolution in latitude.</p><p class="p">The accuracy of SL-AV20 numerical solutions using a reduced lat–lon grid and
the variable resolution in latitude is tested with two idealized test cases.
Accuracy and stability of SL-AV20 in the presence of the orography forcing
are tested using the mountain-induced Rossby wave test case. The results of
all three tests are in good agreement with other published model solutions.
It is shown that the use of the reduced grid does not significantly affect
the accuracy up to the 25 % reduction in the number of grid points with
respect to the regular grid. Variable resolution in latitude allows us to
improve the accuracy of a solution in the region of interest.</p></abstract-html>
<ref-html id="bib1.bib1"><label>Bates et al.(1993)Bates, Moorthi, and Higgins</label><mixed-citation>
Bates, J., Moorthi, S., and Higgins, R.: A global multilevel atmospheric
model
using a vector semi-Lagrangian finite-difference scheme. Part I: Adiabatic
formulation, Mon. Weather Rev., 121, 244–263,
<a href="http://dx.doi.org/10.1175/1520-0493(1993)121&lt;0244:AGMAMU&gt;2.0.CO;2" target="_blank">doi:10.1175/1520-0493(1993)121&lt;0244:AGMAMU&gt;2.0.CO;2</a>, 1993.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib2"><label>Caluwaerts et al.(2015)Caluwaerts, Degrauwe, Termonia, Voitus,
Bénard, and Geleyn</label><mixed-citation>
Caluwaerts, S., Degrauwe, D., Termonia, P., Voitus, F., Bénard, P., and
Geleyn, J.-F.: Importance of temporal symmetry in spatial discretization for
geostrophic adjustment in semi-implicit Z-grid schemes, Q. J. Roy. Meteor.
Soc., 141, 128–138, <a href="http://dx.doi.org/10.1002/qj.2344" target="_blank">doi:10.1002/qj.2344</a>, 2015.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib3"><label>Colella and Woodward(1984)</label><mixed-citation>
Colella, P. and Woodward, P.: The Piecewise Parabolic Method (PPM) for
Gas-Dynamical Simulations, J. Comput. Phys., 54, 174–201,
<a href="http://dx.doi.org/10.1016/0021-9991(84)90143-8" target="_blank">doi:10.1016/0021-9991(84)90143-8</a>, 1984.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib4"><label>Fadeev(2013)</label><mixed-citation>
Fadeev, R.: Algorithm for Reduced Grid Generation on a Sphere for a Global
Finite-Difference Atmospheric Model, Comp. Math.
Math. Phys.+, 53, 237–252, <a href="http://dx.doi.org/10.1134/S0965542513020073" target="_blank">doi:10.1134/S0965542513020073</a>, 2013.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib5"><label>Fournier et al.(2004)Fournier, Taylor, and Tribbia</label><mixed-citation>
Fournier, A., Taylor, M., and Tribbia, J.: The spectral element atmospheric
model: High-resolution parallel computation and response to regional forcing,
Mon. Weather Rev., 132, 726–748,
<a href="http://dx.doi.org/10.1175/1520-0493(2004)132&lt;0726:TSEAMS&gt;2.0.CO;2" target="_blank">doi:10.1175/1520-0493(2004)132&lt;0726:TSEAMS&gt;2.0.CO;2</a>, 2004.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib6"><label>Geleyn et al.(1994)Geleyn, Bazile, Bougeault, Deque, Ivanovici, Joly,
Labbe, Piedelievre, Piriou, and Royer</label><mixed-citation>
Geleyn, J.-F., Bazile, E., Bougeault, P., Deque, M., Ivanovici, V., Joly, A.,
Labbe, L., Piedelievre, J.-P., Piriou, J.-M., and Royer, J.-F.: Atmospheric
parameterization schemes in Meteo-France's ARPEGE N.W.P. model, in:
Parameterization of subgrid-scale physical processes, ECMWF Seminar
proceedings,  Reading, UK,  385–402, 1994.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib7"><label>Gerard et al.(2009)Gerard, Piriou, Brožková, Geleyn, and
Banciu</label><mixed-citation>
Gerard, L., Piriou, J.-M., Brožková, R., Geleyn, J.-F., and
Banciu,
D.: Cloud and Precipitation Parameterization in a Meso-Gamma-Scale
Operational Weather Prediction Model, Mon. Weather Rev., 137, 3960–3977,
<a href="http://dx.doi.org/10.1175/2009MWR2750.1" target="_blank">doi:10.1175/2009MWR2750.1</a>, 2009.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib8"><label>Goyman(2015)</label><mixed-citation>
Goyman, G.: Analysis of the predictior-corrector time-integration scheme and
its implementation in the global SL-AV atmospheric model, Proceedings of
Hydrometcentre of Russia, 357, 16–32,
2015 (in Russian).
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib9"><label>Heikes and Randall(1995)</label><mixed-citation>
Heikes, R. and Randall, D.: Numerical integration of the shallow-water
equations on a twisted icosahedral grid. Part I: Basic design and results
of tests, Mon. Weather Rev., 123, 1862–1880,
<a href="http://dx.doi.org/10.1175/1520-0493(1995)123&lt;1881:NIOTSW&gt;2.0.CO;2" target="_blank">doi:10.1175/1520-0493(1995)123&lt;1881:NIOTSW&gt;2.0.CO;2</a>, 1995.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib10"><label>Held and Suarez(1994)</label><mixed-citation>
Held, I. M. and Suarez, M. J.: A proposal for the intercomparison of the
dynamical cores of atmospheric general circulation models, B. Am.
Meteorol. Soc., 75, 1825–1830, 1994.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib11"><label>Holton(2004)</label><mixed-citation>
Holton, J. R.: An introduction to dynamic meteorology, vol. 88 of Int.
Geophys. Ser., Elsevier Academic Press, 4th Edn., 2004.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib12"><label>Hortal(2002)</label><mixed-citation>
Hortal, M.: The development and testing of a new two-time-level
semi-Lagrangian
scheme (SETTLS) in the ECMWF forecast model, Q. J. Roy. Meteor. Soc., 128,
1671–1688, <a href="http://dx.doi.org/10.1002/qj.200212858314" target="_blank">doi:10.1002/qj.200212858314</a>, 2002.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib13"><label>Jablonowski and Williamson(2006a)</label><mixed-citation>
Jablonowski, C. and Williamson, D.: A Baroclinic Wave Test Case for Dynamical
Cores of General Circulation Models: Model Intercomparisons, NCAR Technical
Note NCAR/TN-469+STR, 2006a.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib14"><label>Jablonowski and Williamson(2006b)</label><mixed-citation>
Jablonowski, C. and Williamson, D. L.: A baroclinic instability test case for
atmospheric model dynamical cores, Q. J. Roy. Meteor. Soc., 132, 2943–  2975, <a href="http://dx.doi.org/10.1256/qj.06.12" target="_blank">doi:10.1256/qj.06.12</a>, 2006b.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib15"><label>Jablonowski et al.(2008)Jablonowski, Lauritzen, Taylor, and
Nair</label><mixed-citation>
Jablonowski, C., Lauritzen, P. H., Taylor, M., and Nair, R. D.: Idealized
test
cases for the dynamical cores of Atmospheric General Circulation Models, A
proposal for the NCAR ASP 2008 summer colloquium, available at:
<a href="http://www.cgd.ucar.edu/cms/pel/asp2008/idealized_testcases.pdf" target="_blank">http://www.cgd.ucar.edu/cms/pel/asp2008/idealized_testcases.pdf</a> (last access: 20 September 2016),
2008.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib16"><label>Jablonowski et al.(2009)Jablonowski, Oehmke, and
Stout</label><mixed-citation>
Jablonowski, C., Oehmke, R., and Stout, Q.: Block-structured adaptive meshes
and reduced grids for atmospheric general circulation models, Philos. T.
Roy. Soc. A, 367, 4497–4522, <a href="http://dx.doi.org/10.1098/rsta.2009.0150" target="_blank">doi:10.1098/rsta.2009.0150</a>, 2009.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib17"><label>Kurihara(1965)</label><mixed-citation>
Kurihara, Y.: Numerical Integration of the Primitive Equations on a Spherical
Grid, Mon. Weather Rev., 93, 399–415, 1965.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib18"><label>Lauritzen et al.(2008)Lauritzen, Kaas, Machenhauer, and
Lindberg</label><mixed-citation>
Lauritzen, P., Kaas, E., Machenhauer, B., and Lindberg, K.: A
Mass-Conservative
Version of the Semi-Implicit Semi-Lagrangian HIRLAM, Q. J. Roy. Meteor.
Soc., 134, 1583–1595, <a href="http://dx.doi.org/10.1002/qj.307" target="_blank">doi:10.1002/qj.307</a>, 2008.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib19"><label>Lele(1992)</label><mixed-citation>
Lele, S.: Compact finite difference schemes with spectral-like resolution, J.
Comput. Phys., 103, 16–42, 1992.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib20"><label>Li and Bates(1994)</label><mixed-citation>
Li, Y. and Bates, J.: Direct solution of the implicit formulation of fourth
order horizontal diffusion for gridpoint models on the sphere, NASA GLA
Technical report series in atmospheric modelling and data assimilation, Vol.
2, 32 pp., 1994.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib21"><label>Lorenz(1960)</label><mixed-citation>
Lorenz, E.: Energy and numerical weather prediction, Tellus, 12, 364–373,
1960.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib22"><label>McDonald and Haugen(1993)</label><mixed-citation>
McDonald, A. and Haugen, J. E.: A Two Time-Level, Three-Dimensional,
Semi-Lagrangian, Semi-implicit, Limited-Area Gridpoint Model of the
Primitive Equations. Part II: Extension to Hybrid Vertical Coordinates,
Mon. Weather Rev., 121, 2077–2087,
<a href="http://dx.doi.org/10.1175/1520-0493(1993)121&lt;2077:ATTLTD&gt;2.0.CO;2" target="_blank">doi:10.1175/1520-0493(1993)121&lt;2077:ATTLTD&gt;2.0.CO;2</a>, 1993.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib23"><label>Müller and Scheichl(2014)</label><mixed-citation>
Müller, E. and Scheichl, R.: Massively parallel solvers for elliptic
partial
differential equations in numerical weather and climate prediction, Q. J.
Roy. Meteor. Soc., 140, 2608–2624, <a href="http://dx.doi.org/10.1002/qj.2327" target="_blank">doi:10.1002/qj.2327</a>, 2014.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib24"><label>Nair et al.(2002)Nair, Scroggs, and Semazzi</label><mixed-citation>
Nair, R., Scroggs, J., and Semazzi, F.: Efficient Conservative Global
Transport
Schemes for Climate and Atmospheric Chemistry Models, Mon. Weather Rev., 130,
2059–2073, <a href="http://dx.doi.org/10.1175/1520-0493(2002)130&lt;2059:ECGTSF&gt;2.0.CO;2" target="_blank">doi:10.1175/1520-0493(2002)130&lt;2059:ECGTSF&gt;2.0.CO;2</a>, 2002.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib25"><label>Quaddouri and Lee(2011)</label><mixed-citation>
Quaddouri, A. and Lee, V.: The Canadian Global Environmental Multiscale model
on the Yin-Yang grid system, Q. J. Roy. Meteor. Soc., 137, 1913–1926,
<a href="http://dx.doi.org/10.1002/qj.873" target="_blank">doi:10.1002/qj.873</a>, 2011.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib26"><label>Randall(1994)</label><mixed-citation>
Randall, D.: Geostrophic adjustment and the finite-difference shallow water
equations, Mon. Weather Rev., 122, 1371–1377,
<a href="http://dx.doi.org/10.1175/1520-0493(1994)122&lt;1371:GAATFD&gt;2.0.CO;2" target="_blank">doi:10.1175/1520-0493(1994)122&lt;1371:GAATFD&gt;2.0.CO;2</a>, 1994.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib27"><label>Reed and Jablonowski(2012)</label><mixed-citation>
Reed, K. A. and Jablonowski, C.: Idealized Tropical Cyclone Simulations of
Intermediate Complexity: A Test Case for AGCMs, J. Adv. Model. Earth Syst.,
4, M04001, <a href="http://dx.doi.org/10.1029/2011MS000099" target="_blank">doi:10.1029/2011MS000099</a>, 2012.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib28"><label>Ritchie and Tanguay(1996)</label><mixed-citation>
Ritchie, H. and Tanguay, M.: A comparison of spatially averaged Eulerian and
semi-Lagrangian treatments of mountains, Mon. Weather Rev., 124, 167–181,
<a href="http://dx.doi.org/10.1175/1520-0493(1996)124&lt;0167:ACOSAE&gt;2.0.CO;2" target="_blank">doi:10.1175/1520-0493(1996)124&lt;0167:ACOSAE&gt;2.0.CO;2</a>,
1996.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib29"><label>Robert et al.(1985)Robert, Yee, and Ritchie</label><mixed-citation>
Robert, A., Yee, T., and Ritchie, H.: A semi-Lagrangian and semi-implicit
numerical integration scheme for multilevel atmospheric models, Mon.
Weather
Rev., 113, 388–394, <a href="http://dx.doi.org/10.1175/1520-0493(1985)113&lt;0388:ASLASI&gt;2.0.CO;2" target="_blank">doi:10.1175/1520-0493(1985)113&lt;0388:ASLASI&gt;2.0.CO;2</a>,
1985.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib30"><label>Rochas(1990)</label><mixed-citation>
Rochas, M.: ARPEGE Documentation, Part 2, chap. 6, Météo-France,
Toulouse, France, 1990.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib31"><label>Shashkin and Tolstykh(2014)</label><mixed-citation>
Shashkin, V. V. and Tolstykh, M. A.: Inherently mass-conservative version of
the semi-Lagrangian absolute vorticity (SL-AV) atmospheric model dynamical
core, Geosci. Model Dev., 7, 407–417, <a href="http://dx.doi.org/10.5194/gmd-7-407-2014" target="_blank">doi:10.5194/gmd-7-407-2014</a>, 2014.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib32"><label>Shashkin et al.(2016)Shashkin, Fadeev, and
Tolstykh</label><mixed-citation>
Shashkin, V., Fadeev, R., and Tolstykh, M.: 3D conservative cascade
semi-Lagrangian transport scheme using reduced latitude–longitude grid
(CCS-RG), J. Comput. Phys., 305, 700–721, <a href="http://dx.doi.org/10.1016/j.jcp.2015.11.005" target="_blank">doi:10.1016/j.jcp.2015.11.005</a>,
2016.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib33"><label>Simarro et al.(2013)Simarro, Homar, and Simarro</label><mixed-citation>
Simarro, J., Homar, V., and Simarro, G.: A non-hydrostatic global spectral
dynamical core using a height-based vertical coordinate, Tellus A, 65,
20270,
<a href="http://dx.doi.org/10.3402/tellusa.v65i0.20270" target="_blank">doi:10.3402/tellusa.v65i0.20270</a>, 2013.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib34"><label>Simmons and Burridge(1981)</label><mixed-citation>
Simmons, A. J. and Burridge, D. M.: An Energy and Angular-Momentum Conserving
Vertical Finite-Difference Scheme and Hybrid Vertical Coordinates, Mon.
Weather
Rev., 109, 758–766, <a href="http://dx.doi.org/10.1175/1520-0493(1981)109&lt;0758:AEAAMC&gt;2.0.CO;2" target="_blank">doi:10.1175/1520-0493(1981)109&lt;0758:AEAAMC&gt;2.0.CO;2</a>,
1981.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib35"><label>Skamarock et al.(2012)Skamarock, Klemp, Duda, Fowler, Park, and
Ringler</label><mixed-citation>
Skamarock, W. C., Klemp, J. B., Duda, M. G., Fowler, L. D., Park, S.-H., and
Ringler, T. D.: A Multiscale Nonhydrostatic Atmospheric Model Using
Centroidal Voronoi Tesselations and C-Grid Staggering, Mon. Weather Rev., 140,
3090–3105, <a href="http://dx.doi.org/10.1175/MWR-D-11-00215.1" target="_blank">doi:10.1175/MWR-D-11-00215.1</a>, 2012.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib36"><label>Staniforth and Côté(1991)</label><mixed-citation>
Staniforth, A. and Côté, J.: Semi-Lagrangian integration schemes for
atmospheric models – A review, Mon. Weather Rev., 119, 2206–2223,
<a href="http://dx.doi.org/10.1175/1520-0493(1991)119&lt;2206:SLISFA&gt;2.0.CO;2" target="_blank">doi:10.1175/1520-0493(1991)119&lt;2206:SLISFA&gt;2.0.CO;2</a>, 1991.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib37"><label>Staniforth and Thuburn(2012)</label><mixed-citation>
Staniforth, A. and Thuburn, J.: Horizontal grids for global weather and
climate
prediction models: a review, Q. J. Roy. Meteor. Soc., 138, 1–26,
<a href="http://dx.doi.org/10.1002/qj.958" target="_blank">doi:10.1002/qj.958</a>, 2012.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib38"><label>Staniforth et al.(2010)Staniforth, White, and
Wood</label><mixed-citation>
Staniforth, A., White, A., and Wood, N.: Treatment of vector equations in
deep-atmosphere, semi-Lagrangian models. I: Momentum equation, Q. J.
Roy. Meteor. Soc., 136, 497–506, <a href="http://dx.doi.org/10.1002/qj.562" target="_blank">doi:10.1002/qj.562</a>, 2010.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib39"><label>Temperton(1997)</label><mixed-citation>
Temperton, C.: Treatment of the Coriolis Terms in Semi-Lagrangian Spectral
Models, Atmosphere-Ocean, 35, sup1, 293–302,
<a href="http://dx.doi.org/10.1080/07055900.1997.9687353" target="_blank">doi:10.1080/07055900.1997.9687353</a>, 1997.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib40"><label>Temperton et al.(2001)Temperton, Hortal, and Simmons</label><mixed-citation>
Temperton, C., Hortal, M., and Simmons, A.: A two-time-level
semi-Lagrangian
spectral global model, Q. J. Roy. Meteor. Soc., 127, 111–129,
<a href="http://dx.doi.org/10.1002/qj.49712757107" target="_blank">doi:10.1002/qj.49712757107</a>, 2001.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib41"><label>Thatcher and Jablonowski(2016)</label><mixed-citation>
Thatcher, D. R. and Jablonowski, C.: A moist aquaplanet variant of the
Held–Suarez test for atmospheric model dynamical cores, Geosci. Model Dev.,
9, 1263–1292, <a href="http://dx.doi.org/10.5194/gmd-9-1263-2016" target="_blank">doi:10.5194/gmd-9-1263-2016</a>, 2016.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib42"><label>Tolstykh(1997)</label><mixed-citation>
Tolstykh, M.: Implementation of the fourth-order horizontal diffusion in
Fourier space in the variable resolution spectral model, in: Research
activities in atmospheric and oceanic modelling, WMO WGNE Rep. N 25,
A. Staniforth, WMO, 1997.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib43"><label>Tolstykh(2003)</label><mixed-citation>
Tolstykh, M.: Variable resolution global semi-Lagrangian atmospheric model,
Russian J. Numer. Anal. Math. Model, 18, 347–361,
<a href="http://dx.doi.org/10.1515/156939803769210993" target="_blank">doi:10.1515/156939803769210993</a>, 2003.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib44"><label>Tolstykh and Shashkin(2012)</label><mixed-citation>
Tolstykh, M. and Shashkin, V.: Vorticity-divergence mass-conserving
semi-Lagrangian shallow-water model using the reduced grid on the sphere,
J. Comput. Phys., 231, 4205–4233, <a href="http://dx.doi.org/10.1016/j.jcp.2012.02.016" target="_blank">doi:10.1016/j.jcp.2012.02.016</a>, 2012.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib45"><label>Tolstykh(2002)</label><mixed-citation>
Tolstykh, M. A.: Vorticity-Divergence Semi-Lagrangian Shallow-Water Model
of
the Sphere Based on Compact Finite Differences, J. Comput. Phys., 179,
180–200, <a href="http://dx.doi.org/10.1006/jcph.2002.7050" target="_blank">doi:10.1006/jcph.2002.7050</a>, 2002.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib46"><label>Volodin et al.(2017)Volodin, Mortikov, Kostrykin, Galin, Lykossov,
Gritsun, Diansky, Gusev, and Iakovlev</label><mixed-citation>
Volodin, E. M., Mortikov, E. V., Kostrykin, S. V., Galin, V. Y., Lykossov,
V. N., Gritsun, A. S., Diansky, N. A., Gusev, A. V., and Iakovlev, N. G.:
Simulation of the present-day climate with the climate model INMCM5, Clim.
Dynam.,    <a href="http://dx.doi.org/10.1007/s00382-017-3539-7" target="_blank">doi:10.1007/s00382-017-3539-7</a>, online first, 2017.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib47"><label>Wan et al.(2008)Wan, Giorgetta, and Bonaventura</label><mixed-citation>
Wan, H., Giorgetta, M., and Bonaventura, L.: Ensemble Held–Suarez Test with
a
Spectral Transform Model: Variability, Sensitivity, and Convergence, Mon.
Weather Rev., 136, 1075–1092, <a href="http://dx.doi.org/10.1175/2007MWR2044.1" target="_blank">doi:10.1175/2007MWR2044.1</a>, 2008.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib48"><label>Wan et al.(2013)Wan, Giorgetta, Zangl, Restelli, Majewski,
Bonaventura, Fruhlich, Reinert, Ripodas, Kornblueh, and Forstner</label><mixed-citation>
Wan, H., Giorgetta, M. A., Zängl, G., Restelli, M., Majewski, D.,
Bonaventura, L., Fröhlich, K., Reinert, D., Rípodas, P., Kornblueh, L.,
and Förstner, J.: The ICON-1.2 hydrostatic atmospheric dynamical core on
triangular grids – Part 1: Formulation and performance of the baseline
version, Geosci. Model Dev., 6, 735–763, <a href="http://dx.doi.org/10.5194/gmd-6-735-2013" target="_blank">doi:10.5194/gmd-6-735-2013</a>, 2013.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib49"><label>White III and Dongarra(2011)</label><mixed-citation>
White III, J. and Dongarra, J.: High-performance high-resolution tracer
transport on a sphere, J. Comput. Phys., 230, 6778–6799,
<a href="http://dx.doi.org/10.1016/j.jcp.2011.05.008" target="_blank">doi:10.1016/j.jcp.2011.05.008</a>, 2011.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib50"><label>Williamson(2007)</label><mixed-citation>
Williamson, D.: The Evolution of Dynamical Cores for Global Atmospheric
Models,
J. Meteorol. Soc. Jpn., 85B, 241–269, <a href="http://dx.doi.org/10.2151/jmsj.85B.241" target="_blank">doi:10.2151/jmsj.85B.241</a>, 2007.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib51"><label>Zangl et al.(2015)Zangl, Reinert, Ripodas, and Baldauf</label><mixed-citation>
Zangl, G., Reinert, D., Ripodas, P., and Baldauf, M.: The ICON (ICOsahedral
Non-hydrostatic) modelling framework of DWD and MPI-M: Description of the
non-hydrostatic dynamical core, Q. J. Roy. Meteor. Soc., 141, 563–579,
<a href="http://dx.doi.org/10.1002/qj.2378" target="_blank">doi:10.1002/qj.2378</a>, 2015.
</mixed-citation></ref-html>--></article>
