<?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" xml:lang="en" dtd-version="3.0"><?xmltex \makeatother\@nolinetrue\makeatletter?>
  <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-14-763-2021</article-id><title-group><article-title>The Meridionally Averaged Model of Eastern Boundary Upwelling Systems (MAMEBUSv1.0)</article-title><alt-title>MAMEBUSv1.0</alt-title>
      </title-group><?xmltex \runningtitle{MAMEBUSv1.0}?><?xmltex \runningauthor{J.~E.~Moscoso et al.}?>
      <contrib-group>
        <contrib contrib-type="author" corresp="yes">
          <name><surname>Moscoso</surname><given-names>Jordyn E.</given-names></name>
          <email>jmoscoso@atmos.ucla.edu</email>
        </contrib>
        <contrib contrib-type="author" corresp="no">
          <name><surname>Stewart</surname><given-names>Andrew L.</given-names></name>
          
        </contrib>
        <contrib contrib-type="author" corresp="no">
          <name><surname>Bianchi</surname><given-names>Daniele</given-names></name>
          
        </contrib>
        <contrib contrib-type="author" corresp="no">
          <name><surname>McWilliams</surname><given-names>James C.</given-names></name>
          
        </contrib>
        <aff id="aff1"><institution>Department of Atmospheric Sciences, University of California, Los Angeles, CA, USA</institution>
        </aff>
      </contrib-group>
      <author-notes><corresp id="corr1">Jordyn E. Moscoso (jmoscoso@atmos.ucla.edu)</corresp></author-notes><pub-date><day>4</day><month>February</month><year>2021</year></pub-date>
      
      <volume>14</volume>
      <issue>2</issue>
      <fpage>763</fpage><lpage>794</lpage>
      <history>
        <date date-type="received"><day>31</day><month>May</month><year>2020</year></date>
           <date date-type="rev-request"><day>10</day><month>August</month><year>2020</year></date>
           <date date-type="rev-recd"><day>5</day><month>December</month><year>2020</year></date>
           <date date-type="accepted"><day>10</day><month>December</month><year>2020</year></date>
      </history>
      <permissions>
        <copyright-statement>Copyright: © 2021 Jordyn E. Moscoso et al.</copyright-statement>
        <copyright-year>2021</copyright-year>
      <license license-type="open-access"><license-p>This work is licensed under the Creative Commons Attribution 4.0 International License. To view a copy of this licence, visit <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/</ext-link></license-p></license></permissions><self-uri xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/14/763/2021/gmd-14-763-2021.html">This article is available from https://gmd.copernicus.org/articles/14/763/2021/gmd-14-763-2021.html</self-uri><self-uri xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/14/763/2021/gmd-14-763-2021.pdf">The full text article is available as a PDF file from https://gmd.copernicus.org/articles/14/763/2021/gmd-14-763-2021.pdf</self-uri>
      <abstract><title>Abstract</title>
    <p id="d1e104">Eastern boundary upwelling systems (EBUSs) are physically and biologically active regions of the ocean with substantial impacts on ocean biogeochemistry, ecology, and global fish catch. Previous studies have used models of varying complexity to study EBUS dynamics, ranging from minimal two-dimensional (2-D) models to comprehensive regional and global models. An advantage of 2-D models is that they are more computationally efficient and easier to interpret than comprehensive regional models, but their key drawback is the lack of explicit representations of important three-dimensional processes that control biology in upwelling systems. These processes include eddy quenching of nutrients and meridional transport of nutrients and heat. The authors present the Meridionally Averaged Model of Eastern Boundary Upwelling Systems (MAMEBUS) that aims at combining the benefits of 2-D and 3-D approaches to modeling EBUSs by parameterizing the key 3-D processes in a 2-D framework. MAMEBUS couples the primitive equations for the physical state of the ocean with a nutrient–phytoplankton–zooplankton–detritus model of the ecosystem, solved in terrain-following coordinates. This article defines the equations that describe the tracer, momentum, and biological evolution, along with physical parameterizations of eddy advection, isopycnal mixing, and boundary layer mixing. It describes the details of the numerical schemes and their implementation in the model code, and provides a reference solution validated against observations from the California Current. The goal of MAMEBUS is to facilitate future studies to efficiently explore the wide space of physical and biogeochemical parameters that control the zonal variations in EBUSs.</p>
  </abstract>
    </article-meta>
  </front>
<body>
      

<sec id="Ch1.S1" sec-type="intro">
  <label>1</label><title>Introduction</title>
      <p id="d1e116">Eastern boundary upwelling systems (EBUSs) are among of the most biologically productive regions in the ocean, supporting diverse ecosystems and contributing to a significant portion of the global fish catch <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx6" id="paren.1"/>. The characteristic wind-driven upwelling dominant in EBUSs is forced by an equatorward meridional wind stress that decreases toward the shore, driving a zonal Ekman transport offshore. The resulting Ekman pumping brings cold, nutrient-rich water to the surface, fueling primary productivity <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx37 bib1.bibx12 bib1.bibx59" id="paren.2"/>.</p>
      <p id="d1e125">The upwelling-favorable winds also drive baroclinic, equatorward geostrophic current, which sheds mesoscale eddies
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx15" id="paren.3"/>. Together with offshore Ekman transport, mesoscale eddies redistribute nutrients zonally and subduct nutrients and other tracers into the ocean subsurface <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx10 bib1.bibx31 bib1.bibx58" id="paren.4"/>. The resulting cross-shore gradient of nutrients at the surface supports a zonal variation in the abundance of phytoplankton, with high biomass and chlorophyll nearshore, and low offshore <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx12" id="paren.5"/>. The size structure of phytoplankton is similarly affected, with larger cells with higher nutrient demand onshore, and smaller cells offshore <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx9" id="paren.6"/>.</p>
      <p id="d1e140">While these qualitative patterns of productivity are common to upwelling systems, previous studies have shown that productivity varies substantially between EBUSs, but the causes of these inter-EBUS variations are not well understood.
Possible physical drivers of these inter-EBUS variations include the shape and strength of the wind-stress curl, which set the upwelling strength and source depth <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx5 bib1.bibx37" id="paren.7"/>. This<?pagebreak page764?> in turn controls the energy transferred to the baroclinic eddy field, modulating surface nutrient availability via the “eddy quenching” mechanism <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx31 bib1.bibx58" id="paren.8"/>. Additionally, inter-EBUS variations may have biogeochemical origins, for example, due differing subsurface oxygen inventories <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx12" id="paren.9"/>.</p>
      <p id="d1e152">Our understanding of these drivers is hindered in part by the observational limitations and in part by the computational expense of regional models that can resolve the processes mentioned above.
A range of models of varying complexity have been used to study EBUSs, from minimal two-dimensional (2-D) models <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx37 bib1.bibx38" id="paren.10"/> to comprehensive regional models <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx63 bib1.bibx14" id="paren.11"/>. While 2-D models require fewer computational resources than comprehensive regional model studies and thus allow a more comprehensive exploration of the relevant parameter space, they lack the explicit representation of important physical processes that affect biology in upwelling systems (i.e., eddy-quenching and meridional transport of nutrients).</p>
      <p id="d1e162">Here, we aim to close the current gap in understanding by developing an idealized, quasi-2-D model of the physics and biogeochemistry of EBUSs. The model includes parameterizations of the key three-dimensional processes, while retaining the computational efficiency of a 2-D model. The model is cast in a residual-mean framework <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx53" id="paren.12"/> in terrain-following coordinates <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx65" id="paren.13"/> and is referred to as the Meridionally Averaged Model of Eastern Boundary Upwelling Systems (MAMEBUS). A schematic of all the important processes in MAMEBUS is shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F1"/>.</p>
      <p id="d1e173">The rest of the paper is organized as follows. In Sect. 2, we describe the equations and physical parameterizations implemented in MAMEBUS, including general formulation of tracer advection and diffusion, the time-dependent turbulent thermal wind approximation of the momentum equations (T3W), eddy and boundary layer parameterizations, and our ecosystem formulation. In Sect. 3, we detail the algorithms and discretizations, including mesh specification, vertical coordinate transformation, and time integration. In Sect. 4, we describe the implementation of MAMEBUS including the various options available to the user, parameter choices, initialization, and output. In Sect. 5, we describe reference solutions for MAMEBUS, discussing model sensitivities to changes in bathymetry, wind forcing, and surface heat fluxes. Finally, in Sect. 6, we discuss further model development and future work.</p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F1" specific-use="star"><?xmltex \currentcnt{1}?><?xmltex \def\figurename{Figure}?><label>Figure 1</label><caption><p id="d1e178">A schematic of the essential components of the Meridionally Averaged Model of Eastern Boundary Upwelling Systems (MAMEBUS). This schematic highlights some components that the user is able to control including the offshore restoring conditions, the eddy mixing along isopycnals, the wind forcing, the surface mixed layer and bottom boundary layer parameterizations, and grid spacing.</p></caption>
        <?xmltex \igopts{width=398.338583pt}?><graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/14/763/2021/gmd-14-763-2021-f01.png"/>

      </fig>

</sec>
<sec id="Ch1.S2">
  <label>2</label><title>MAMEBUS framework</title>
      <p id="d1e195">MAMEBUS is comprised of a series of components that are necessary to capture physical–biogeochemical dynamics in EBUSs: (1) explicit momentum conservation in form of geostrophic, hydrostatic, and Ekman balances implemented as part of the T3W formulation; (2) eddies and their effect on material transport; (3) surface and bottom boundary layers; (4) nutrient and plankton cycles in form of a size-structured “NPZD”-type model <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx7" id="paren.14"/>.</p>
      <p id="d1e201">With the exception of the velocity field, all tracers in MAMEBUS evolve according to the following conservation equation:
          <disp-formula id="Ch1.E1" content-type="numbered"><label>1</label><mml:math id="M1" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><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:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mo mathsize="2.0em">|</mml:mo><mml:mtext>phys</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mo mathsize="2.0em">|</mml:mo><mml:mtext>bio</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mo mathsize="2.0em">|</mml:mo><mml:mtext>nct</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        where the bar indicates a meridional average. The key physical tracer that follows Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E1"/>) is temperature, <inline-formula><mml:math id="M2" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, which serves as the thermodynamic variable in our model. We choose temperature as our thermodynamic variable because of its important effects on biogeochemistry <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx60" id="paren.15"/>.
The biogeochemical tracers that are affected by the biogeochemical evolution term, <inline-formula><mml:math id="M3" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mo mathsize="1.1em">|</mml:mo><mml:mtext>bio</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, are a limiting nutrient N (here expressed in nitrogen units, akin to nitrate); a phytoplankton tracer, P; a zooplankton tracer, Z; and a detrital pool, D.
The non-conservative terms, <inline-formula><mml:math id="M4" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mo mathsize="1.1em">|</mml:mo><mml:mtext>nct</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, represent physical sources and sinks of tracers, including surface fluxes, restoring at the offshore boundary, and optional restoring throughout the domain.</p>
<sec id="Ch1.S2.SS1">
  <label>2.1</label><title>Tracer evolution</title>
      <p id="d1e355">We first formulate an evolution equation for the meridionally averaged concentration of an arbitrary tracer <inline-formula><mml:math id="M5" display="inline"><mml:mi>c</mml:mi></mml:math></inline-formula>. We assume that <inline-formula><mml:math id="M6" display="inline"><mml:mi>c</mml:mi></mml:math></inline-formula> evolves according to a combination of advection by the three-dimensional ocean flow and diffusion by microscale mixing processes:
            <disp-formula id="Ch1.E2" content-type="numbered"><label>2</label><mml:math id="M7" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mo mathsize="2.0em">|</mml:mo><mml:mtext>phys</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mtext>advection</mml:mtext></mml:munder><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>dia</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mtext>mixing</mml:mtext></mml:munder><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          Here, <inline-formula><mml:math id="M8" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the three-dimensional velocity vector, <inline-formula><mml:math id="M9" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the three-dimensional gradient operator, and <inline-formula><mml:math id="M10" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>dia</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the microscale diffusivity. In Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E2"/>), we have assumed that the velocity field is non-divergent, i.e., <inline-formula><mml:math id="M11" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. We further assume that <inline-formula><mml:math id="M12" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M13" display="inline"><mml:mi>c</mml:mi></mml:math></inline-formula> have already been averaged over a short timescale to exclude fluctuations associated with microscale eddies, whose effects are parameterized via the microscale mixing term <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx2" id="paren.16"><named-content content-type="pre">e.g.,</named-content></xref>. We further simplify Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E2"/>) by assuming that horizontal tracer gradients are small compared with vertical gradients, i.e., <inline-formula><mml:math id="M14" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>≫</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, as is typical for oceanic scales of evolution <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx72" id="paren.17"><named-content content-type="pre">e.g.,</named-content></xref>. This implies that the microscale mixing acts primarily in the vertical, i.e.,
            <disp-formula id="Ch1.E3" content-type="numbered"><label>3</label><mml:math id="M15" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mo mathsize="2.0em">|</mml:mo><mml:mtext>phys</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>dia</mml:mtext></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          We now reduce the dimensionality of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E3"/>) by taking a meridional average, which we denote via an overbar:
            <disp-formula id="Ch1.E4" content-type="numbered"><label>4</label><mml:math id="M16" display="block"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mo>•</mml:mo><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          Here, <inline-formula><mml:math id="M17" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the meridional length of the region of interest and <inline-formula><mml:math id="M18" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the meridional coordinate. Though we refer to this average as “meridional” throughout the text, for the purpose of comparison with EBUSs in nature, this average might be thought of instead as an along-coast average or as an average following isobaths, under the assumption that the additional metric terms introduced by such coordinate transformations are negligible. We next perform a Reynolds decomposition of the velocity and tracer fields:

                <disp-formula id="Ch1.E5" specific-use="align" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M19" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E5.6"><mml:mtd><mml:mtext>5a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E5.7"><mml:mtd><mml:mtext>5b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            where primes <inline-formula><mml:math id="M20" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> denote perturbations from the meridional average. Taking a meridional average of
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E3"/>) then yields
            <disp-formula id="Ch1.E8" content-type="numbered"><label>6</label><mml:math id="M21" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" columnspacing="1em" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced open="" close="|"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mtext>phys</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mtext>mean advection</mml:mtext></mml:munder></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mtext>eddy flux</mml:mtext></mml:munder><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.33em"/><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mtext>meridional advection</mml:mtext></mml:munder><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>dia</mml:mtext></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mtext>mixing</mml:mtext></mml:munder><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
          Here, we have used Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E5.6"/>)–(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E5.7"/>) and the property that perturbations vanish under the average, i.e., <inline-formula><mml:math id="M22" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><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>. We further define <inline-formula><mml:math id="M23" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>≡</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as the zonal–vertical gradient operator, and <inline-formula><mml:math id="M24" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as the zonal–vertical velocity vector. The square bracket indicates the difference between <inline-formula><mml:math id="M25" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at the northern and southern boundaries of the domain of integration, i.e.,
            <disp-formula id="Ch1.E9" content-type="numbered"><label>7</label><mml:math id="M26" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mfenced close="|" open=""><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mfenced close="|" open=""><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          In its current form, Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E8"/>) cannot be solved prognostically for <inline-formula><mml:math id="M27" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> because it includes correlations between perturbation quantities, i.e., the eddy tracer flux <inline-formula><mml:math id="M28" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>. Assuming that these perturbations are associated with mesoscale eddies, we parameterize the eddy tracer flux following <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx28" id="text.18"/> and <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx57" id="text.19"/>. Specifically, we decompose the eddy tracer flux into advection of the mean tracer <inline-formula><mml:math id="M29" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> by “eddy-induced velocity” <inline-formula><mml:math id="M30" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>⋆</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and diffusion of <inline-formula><mml:math id="M31" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> along the mean buoyancy surfaces <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx8" id="paren.20"><named-content content-type="pre">see</named-content></xref>:
            <disp-formula id="Ch1.E10" content-type="numbered"><label>8</label><mml:math id="M32" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>⋆</mml:mo></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>∥</mml:mo></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          Here, <inline-formula><mml:math id="M33" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>∥</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes the gradient along mean buoyancy surfaces (see Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2.SS2"/>.
A more detailed derivation of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E10"/>) is given in Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S1"/>. We additionally simplify the meridional tracer advection term by assuming that <inline-formula><mml:math id="M34" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><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>, i.e., that the meridional tracer flux convergence is dominated by meridional tracer gradients, and that correlations between <inline-formula><mml:math id="M35" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>dia</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M36" display="inline"><mml:mi>c</mml:mi></mml:math></inline-formula> are negligible, i.e., that the meridionally averaged vertical diffusive tracer flux serves to diffuse <inline-formula><mml:math id="M37" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> downgradient.<?pagebreak page766?> With these simplifications, the full equation for the physical evolution of tracers is given by
            <disp-formula id="Ch1.E11" content-type="numbered"><label>9</label><mml:math id="M38" display="block"><mml:mtable columnspacing="1em" rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced open="" close="|"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mtext>phys</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mtext>mean advection</mml:mtext></mml:munder><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.33em"/><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi>c</mml:mi></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mtext>meridional advection</mml:mtext></mml:munder></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>⋆</mml:mo></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mtext>eddy advection</mml:mtext></mml:munder><mml:mspace width="0.33em" linebreak="nobreak"/><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>∥</mml:mo></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mtext>eddy stirring</mml:mtext></mml:munder><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>dia</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mtext>mixing</mml:mtext></mml:munder><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
          The terms on the right-hand side of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E11"/>) are discussed further in the following sections: in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2.SS2"/>, we discuss the evolution of the mean velocity <inline-formula><mml:math id="M39" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> via the momentum equations, and in  Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2.SS3"/> we discuss the subgrid-scale parameterizations,  i.e., eddy advection, eddy stirring, and mixing.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S2.SS2">
  <label>2.2</label><title>Momentum evolution equations</title>
      <p id="d1e1537">To evolve a meridionally averaged tracer <inline-formula><mml:math id="M40" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> using Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E11"/>), the meridionally averaged velocity field <inline-formula><mml:math id="M41" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is required. This velocity field is evolved in MAMEBUS by solving a simplified form of the hydrostatic Boussinesq momentum and continuity equations with a linear equation of state <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx72" id="paren.21"/>:

                <disp-formula id="Ch1.E12" specific-use="align" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M42" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E12.13"><mml:mtd><mml:mtext>10a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><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>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>dia</mml:mtext></mml:msub><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>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E12.14"><mml:mtd><mml:mtext>10b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><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>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>dia</mml:mtext></mml:msub><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>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E12.15"><mml:mtd><mml:mtext>10c</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E12.16"><mml:mtd><mml:mtext>10d</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E12.17"><mml:mtd><mml:mtext>10e</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            Here, <inline-formula><mml:math id="M43" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the dynamic pressure, where <inline-formula><mml:math id="M44" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is an arbitrary reference density, <inline-formula><mml:math id="M45" display="inline"><mml:mi>b</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the buoyancy, <inline-formula><mml:math id="M46" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the potential temperature, <inline-formula><mml:math id="M47" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the thermal expansion coefficient (assumed constant), <inline-formula><mml:math id="M48" display="inline"><mml:mi>g</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the gravitational constant, and <inline-formula><mml:math id="M49" display="inline"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the Coriolis parameter. Note that we have assumed that momentum is mixed by microscale turbulence following the same diffusivity <inline-formula><mml:math id="M50" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>dia</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as tracers (see Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2.SS1"/>), i.e., that the turbulent Prandtl number <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx40" id="paren.22"><named-content content-type="pre">e.g.,</named-content></xref> is exactly equal to 1.</p>
      <p id="d1e1921">As in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2.SS1"/>, we now meridionally average Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E12.13"/>)–(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E12.17"/>) to obtain evolution equations for <inline-formula><mml:math id="M51" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M52" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, and thus implicitly also for <inline-formula><mml:math id="M53" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>. This yields the following set of averaged equations:

                <disp-formula id="Ch1.E18" specific-use="align" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M54" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E18.19"><mml:mtd><mml:mtext>11a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>dia</mml:mtext></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E18.20"><mml:mtd><mml:mtext>11b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>dia</mml:mtext></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E18.21"><mml:mtd><mml:mtext>11c</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E18.22"><mml:mtd><mml:mtext>11d</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E18.23"><mml:mtd><mml:mtext>11e</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            Here, we have made the frictional–geostrophic approximation <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx22" id="paren.23"><named-content content-type="pre">e.g.,</named-content></xref>, assuming that the Rossby number of the flow is small <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx72" id="paren.24"><named-content content-type="pre">e.g.,</named-content></xref>, and thus that momentum advection (second terms from the left in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E12.13"/>–<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E12.14"/>) is negligible compared to other terms in the momentum equation. This assumption may indeed have some limitations in upwelling regions with steep topography and strong stratification. <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx44" id="text.25"/> show that in the cross-shelf momentum flux divergence balances the wind stress and supports an on shore return flow, which can impact nitrate concentrations on the shelf <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx36" id="paren.26"/>.</p>
      <p id="d1e2251">On the other hand, we have retained the time-evolution terms (leftmost terms in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E12.13"/>–<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E12.14"/>) to allow forward evolution of the horizontal velocity fields; if these terms were neglected, then these terms would need to be computed diagnostically at each time step. The resulting system is almost identical to the T3W equations <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx17" id="paren.27"/>, a time-varying extension of the turbulent thermal wind balance <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx32" id="paren.28"/>, which was developed to explain the circulation of submesoscale fronts. The meridional pressure gradient in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E18.19"/>) is imposed, rather than solved for prognostically, and is assumed to be set by the larger-scale subtropical gyre circulation encompassing the EBUS, which explicitly differs from the work done in <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx17" id="text.29"/> which focuses on more rapid time-varying evolution on smaller scales. Together with the tracer advection equation for potential temperature (i.e., Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E11"/> with <inline-formula><mml:math id="M55" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E18.19"/>)–(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E18.23"/>) comprise a closed set of equations for the physical evolution of MAMEBUS.</p>
      <p id="d1e2288">In Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E18.21"/>), we have invoked the earlier assumption that <inline-formula><mml:math id="M56" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><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> (see Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2.SS1"/>), such that the averaged velocity field is non-divergent in the <inline-formula><mml:math id="M57" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>–<inline-formula><mml:math id="M58" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> plane. This implies that the zonal–vertical velocity field can be related to a mean stream function <inline-formula><mml:math id="M59" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> via
            <disp-formula id="Ch1.E24" content-type="numbered"><label>12</label><mml:math id="M60" display="block"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          These relationships allow us to calculate <inline-formula><mml:math id="M61" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> and thus <inline-formula><mml:math id="M62" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, from <inline-formula><mml:math id="M63" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, subject to the boundary conditions
            <disp-formula id="Ch1.E25" content-type="numbered"><label>13</label><mml:math id="M64" display="block"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mtext> at </mml:mtext><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          Here, <inline-formula><mml:math id="M65" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the mean sea floor elevation.</p>
      <?pagebreak page767?><p id="d1e2503">Additional boundary conditions are required to solve
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E18.19"/>)–(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E18.23"/>) prognostically. Specifically, we require that the vertical turbulent stress in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E18.19"/>)–(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E18.20"/>) matches the wind stress applied at the sea surface and the drag stress at the sea floor, with the latter formulated via a linear drag law. Formally, these boundary conditions are

                <disp-formula id="Ch1.E26" specific-use="gather" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M66" display="block"><mml:mtable rowspacing="2pt" displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E26.27"><mml:mtd><mml:mtext>14a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>dia</mml:mtext></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>dia</mml:mtext></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>y</mml:mi></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mtext> at </mml:mtext><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E26.28"><mml:mtd><mml:mtext>14b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>dia</mml:mtext></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>dia</mml:mtext></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mtext> at </mml:mtext><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            Here, <inline-formula><mml:math id="M67" display="inline"><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a linear drag coefficient and <inline-formula><mml:math id="M68" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>y</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the meridional wind stress.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S2.SS3">
  <label>2.3</label><title>Physical parameterizations</title>
      <p id="d1e2726">In this section, we describe the parameterization of unresolved microscale mixing in the tracer evolution (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E11"/>) and the horizontal momentum (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E18.19"/>–<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E18.20"/>), and of mesoscale eddy advection and stirring in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E11"/>). This amounts to parameterizing the diapycnal diffusivity <inline-formula><mml:math id="M69" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>dia</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the isopycnal diffusivity <inline-formula><mml:math id="M70" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and the eddy velocity <inline-formula><mml:math id="M71" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>⋆</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
<sec id="Ch1.S2.SS3.SSS1">
  <label>2.3.1</label><title>Diapycnal mixing</title>
      <p id="d1e2778">We formulate the diapycnal mixing coefficient <inline-formula><mml:math id="M72" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>dia</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as a sum of four distinct contributing processes: surface mixed layer turbulence (<inline-formula><mml:math id="M73" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), bottom boundary layer turbulence (<inline-formula><mml:math id="M74" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), turbulence due to convective overturns within the water column (<inline-formula><mml:math id="M75" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>conv</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), and background mixing due to internal wave breaking (<inline-formula><mml:math id="M76" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>bg</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). Formally, we write
              <disp-formula id="Ch1.E29" content-type="numbered"><label>15</label><mml:math id="M77" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" columnspacing="1em" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>dia</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>conv</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>bg</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
            The terms on the right-hand side of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E29"/>) are discussed in turn in the following paragraphs.</p>
      <p id="d1e2949">The diapycnal diffusivity in the surface mixed layer, <inline-formula><mml:math id="M78" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, is prescribed to have the same structure as that used in the <inline-formula><mml:math id="M79" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi></mml:math></inline-formula>-profile parameterization (KPP) of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx43" id="text.30"/>. However, for simplicity, the mixed layer depth <inline-formula><mml:math id="M80" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and maximum magnitude <inline-formula><mml:math id="M81" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are prescribed functions, rather than depending on the local surface forcing. The vertical profile of <inline-formula><mml:math id="M82" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>dia</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the surface mixed layer, i.e., <inline-formula><mml:math id="M83" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, is given by
              <disp-formula id="Ch1.E30" content-type="numbered"><label>16</label><mml:math id="M84" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mtext>KPP</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            where the dimensionless surface mixed layer vertical coordinate <inline-formula><mml:math id="M85" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is defined such that <inline-formula><mml:math id="M86" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>≤</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> within the mixed layer. The structure function <inline-formula><mml:math id="M87" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mtext>KPP</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is given by
              <disp-formula id="Ch1.E31" content-type="numbered"><label>17</label><mml:math id="M88" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mtext>KPP</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close="" open="{"><mml:mtable class="aligned" columnspacing="1em" rowspacing="2pt" displaystyle="true" columnalign="right left right"><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">27</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>≤</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</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 displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            following <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx43" id="text.31"/> and <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx71" id="text.32"/>. The scaling factor of <inline-formula><mml:math id="M89" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">27</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ensures that <inline-formula><mml:math id="M90" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mtext>KPP</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> has a maximum of 1 for <inline-formula><mml:math id="M91" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d1e3305">The diapycnal diffusivity in the bottom boundary layer, <inline-formula><mml:math id="M92" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, is prescribed in the same way as <inline-formula><mml:math id="M93" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> but over the depth range <inline-formula><mml:math id="M94" 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:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Thus, analogous to Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E30"/>), we prescribe
              <disp-formula id="Ch1.E32" content-type="numbered"><label>18</label><mml:math id="M95" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mtext>KPP</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            where the dimensionless bottom boundary layer vertical coordinate is defined as <inline-formula><mml:math id="M96" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d1e3457">At any point in space and time at which the water column is statically unstable, i.e., when <inline-formula><mml:math id="M97" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we increase the value of <inline-formula><mml:math id="M98" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>dia</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is increased locally to parameterize the effect of density-driven convection. That is, we prescribe <inline-formula><mml:math id="M99" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>conv</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> following
              <disp-formula id="Ch1.E33" content-type="numbered"><label>19</label><mml:math id="M100" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>conv</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="{" close=""><mml:mtable class="aligned" columnspacing="1em" rowspacing="2pt" displaystyle="true" columnalign="right left right"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>conv</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</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 displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            Finally, the background diapycnal mixing, <inline-formula><mml:math id="M101" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>bg</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, is simply prescribed as a constant background diffusivity. There are others that can be used (e.g., <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx67" id="altparen.33"/>), but we opt for simplicity in the first version of this model.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S2.SS3.SSS2">
  <label>2.3.2</label><title>Eddy advection and isopycnal mixing</title>
      <p id="d1e3598">We now discuss the formulation of the eddy advection and isopycnal mixing terms in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E11"/>). As discussed in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2.SS1"/>, we follow the assumptions and formalism of the <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx28" id="text.34"/> and <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx57" id="text.35"/> parameterizations, which are commonly used in ocean models that do not explicitly resolve mesoscale eddies <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx27" id="paren.36"><named-content content-type="pre">e.g.,</named-content></xref>. These parameterizations assume that eddy-induced fluxes of buoyancy and tracer diffusion are directed along isopycnal slopes and so must be augmented in the ocean's surface mixed layer (SML) and bottom boundary layer (BBL). Here, the isopycnal slopes become very steep and isopycnals intersect the sea surface and floor <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx70" id="paren.37"/>. MAMEBUS therefore uses a modified form of the <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx24" id="text.38"/> boundary layer parameterization, in which eddy buoyancy and tracer fluxes are rotated through the SML and BBL in order to enforce vanishing eddy-induced mass and tracer fluxes through the boundaries. Here, we summarize salient properties of this scheme, and in Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S3"/> we highlight differences between our scheme and that of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx24" id="text.39"/>.</p>
      <p id="d1e3628">The eddy-induced velocity <inline-formula><mml:math id="M102" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>⋆</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>⋆</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>⋆</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, introduced in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E10"/>), is non-divergent by construction (see Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S1"/>) and so we write it as
              <disp-formula id="Ch1.E34" content-type="numbered"><label>20</label><mml:math id="M103" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>⋆</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>⋆</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>⋆</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>⋆</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            where <inline-formula><mml:math id="M104" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>⋆</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the “eddy stream function”. This advecting stream function is assumed to be the same for all tracers,<?pagebreak page768?> which is accurate in the limit of small-amplitude fluctuations of the velocity and tracer fields <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx52" id="paren.40"/>, and takes the form
              <disp-formula id="Ch1.E35" content-type="numbered"><label>21</label><mml:math id="M105" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>⋆</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>gm</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>gm</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            Here, <inline-formula><mml:math id="M106" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>gm</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the Gent–McWilliams diffusivity and the <inline-formula><mml:math id="M107" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>gm</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the is the Gent–McWilliams slope. The latter is conventionally set equal to the mean isopycnal slope <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx28" id="paren.41"/>:
              <disp-formula id="Ch1.E36" content-type="numbered"><label>22</label><mml:math id="M108" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>int</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            However, we allow <inline-formula><mml:math id="M109" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>gm</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to diverge from <inline-formula><mml:math id="M110" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>int</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the SML and BBL, in part to ensure that the no-flux surface and bottom boundary conditions are satisfied <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx24" id="paren.42"/>:
              <disp-formula id="Ch1.E37" content-type="numbered"><label>23</label><mml:math id="M111" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>⋆</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mtext> at </mml:mtext><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.33em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            Specifically, we prescribe
              <disp-formula id="Ch1.E38" content-type="numbered"><label>24</label><mml:math id="M112" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>gm</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close="" open="{"><mml:mtable class="array" rowspacing="2pt 2pt" columnalign="left left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>int</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            The formulations of the modified slopes <inline-formula><mml:math id="M113" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M114" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are discussed below in the following sections (“surface mixed layer” and “bottom boundary layer” subsections).</p>
      <p id="d1e4094">The isopycnal mixing operator serves to mix tracers down their mean gradients, in a direction that is parallel to mean isopycnal surfaces in the ocean interior, following <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx57" id="paren.43"/>. This may be written componentwise as
              <disp-formula id="Ch1.E39" content-type="numbered"><label>25</label><mml:math id="M115" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" columnspacing="1em" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>∥</mml:mo></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
            where <inline-formula><mml:math id="M116" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes the slope of the surface along which the tracer is to be mixed and is assumed to be small (<inline-formula><mml:math id="M117" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). Similar to <inline-formula><mml:math id="M118" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>gm</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, this slope is conventionally  set equal to the mean isopycnal slope <inline-formula><mml:math id="M119" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>int</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, but we apply modifications to the formulation of <inline-formula><mml:math id="M120" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the SML and BBL to ensure that there is zero eddy-induced tracer flux through the domain boundaries, i.e.,
              <disp-formula id="Ch1.E40" content-type="numbered"><label>26</label><mml:math id="M121" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>∥</mml:mo></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mtext> at </mml:mtext><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.33em"/><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            where <inline-formula><mml:math id="M122" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is a unit vector oriented perpendicular to the sea surface or sea floor. Specifically, we prescribe
              <disp-formula id="Ch1.E41" content-type="numbered"><label>27</label><mml:math id="M123" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="{" close=""><mml:mtable rowspacing="2pt 2pt" class="array" columnalign="left left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>int</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            Thus, <inline-formula><mml:math id="M124" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>gm</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M125" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are identical everywhere above the BBL. The need for a distinction within the BBL is explained below in the “surface mixed layer” and “bottom boundary layer” subsections.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S2.SS3.SSSx1" specific-use="unnumbered">
  <title>Surface mixed layer</title>
      <p id="d1e4598">We now discuss the formulation of <inline-formula><mml:math id="M126" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the effective isopycnal slope in the surface mixed layer. Following <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx24" id="text.44"/>, we construct <inline-formula><mml:math id="M127" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in a way that avoids singularities due to the vanishingly small vertical buoyancy gradients, and thus near-infinite isopycnal slopes, that occur in the mixed layer. This is achieved by using the vertical buoyancy gradient at the base of the mixed layer to define the effective slope as
              <disp-formula id="Ch1.E42" content-type="numbered"><label>28</label><mml:math id="M128" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            where <inline-formula><mml:math id="M129" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a dimensionless vertical coordinate for the SML, as in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2.SS3.SSS1"/>. The corresponding eddy stream function (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E35"/>) is identical to that of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx24" id="text.45"/>:
              <disp-formula id="Ch1.E43" content-type="numbered"><label>29</label><mml:math id="M130" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>⋆</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>gm</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            The structure function <inline-formula><mml:math id="M131" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is required to enforce continuity of the vertical tracer fluxes and flux divergences at the surface and at the base of the mixed layer. For example, Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E37"/>) requires that <inline-formula><mml:math id="M132" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> vanishes at the surface:
              <disp-formula id="Ch1.E44" content-type="numbered"><label>30</label><mml:math id="M133" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            We further require that the eddy stream function and eddy residual tracer fluxes be continuous at the base of the SML, i.e., that <inline-formula><mml:math id="M134" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>int</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which requires that
              <disp-formula id="Ch1.E45" content-type="numbered"><label>31</label><mml:math id="M135" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            Finally, we require continuity of the divergence of the eddy tracer flux in order to avoid producing singularities at the SML base. The zonal and vertical components of the eddy tracer flux are

                  <disp-formula id="Ch1.E46" specific-use="align" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M136" display="block"><mml:mtable rowspacing="2pt" displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E46.47"><mml:mtd><mml:mtext>32a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>gm</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>gm</mml:mtext></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E46.48"><mml:mtd><mml:mtext>32b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>gm</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>gm</mml:mtext></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

              It may be shown that continuity of <inline-formula><mml:math id="M137" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> across <inline-formula><mml:math id="M138" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is guaranteed if
              <disp-formula id="Ch1.E49" content-type="numbered"><label>33</label><mml:math id="M139" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced close="|" open=""><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mfenced close="|" open=""><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>int</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>⇒</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            where <inline-formula><mml:math id="M140" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a vertical length scale for eddy motions at the base of the mixed layer.</p>
      <?pagebreak page769?><p id="d1e5326">The simplest form for <inline-formula><mml:math id="M141" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> that satisfies conditions for Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E44"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E45"/>), and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E49"/>) is a quadratic function of depth:
              <disp-formula id="Ch1.E50" content-type="numbered"><label>34</label><mml:math id="M142" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E50"/>) is currently implemented in MAMEBUS. A more sophisticated form of <inline-formula><mml:math id="M143" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> that arguably has stronger physical motivation is given by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx24" id="text.46"/>. They split the SML into a true mixed layer, in which <inline-formula><mml:math id="M144" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> varies linearly (and so the eddy velocity is approximately uniform), overlying  a transition layer, in which <inline-formula><mml:math id="M145" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> varies quadratically.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S2.SS3.SSSx2" specific-use="unnumbered">
  <title>Bottom boundary layer</title>
      <p id="d1e5488">The scheme described above for the SML relies on the fact that the ocean surface is approximately flat, which allows the same effective slopes <inline-formula><mml:math id="M146" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to be used for <inline-formula><mml:math id="M147" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>gm</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M148" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The sloping sea floor requires separate BBL slopes, <inline-formula><mml:math id="M149" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M150" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and structure functions, <inline-formula><mml:math id="M151" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M152" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, to satisfy the required conditions of no volume nor tracer flux through the boundary, i.e., Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E37"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E40"/>).</p>
      <p id="d1e5579">Analogous to the SML, we define the effective slope <inline-formula><mml:math id="M153" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as
              <disp-formula id="Ch1.E51" content-type="numbered"><label>35</label><mml:math id="M154" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            where <inline-formula><mml:math id="M155" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the BBL vertical coordinate, as in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2.SS3.SSS1"/>. The eddy stream function in the BBL is therefore
              <disp-formula id="Ch1.E52" content-type="numbered"><label>36</label><mml:math id="M156" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>⋆</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>gm</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            To satisfy the condition of zero volume flux through the sea floor, Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E37"/>), the effective slope must vanish at <inline-formula><mml:math id="M157" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which requires
              <disp-formula id="Ch1.E53" content-type="numbered"><label>37</label><mml:math id="M158" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            To ensure continuity of the eddy stream function at the top of the BBL, we require that <inline-formula><mml:math id="M159" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> approach <inline-formula><mml:math id="M160" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>int</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, i.e.,
              <disp-formula id="Ch1.E54" content-type="numbered"><label>38</label><mml:math id="M161" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            Finally, to ensure continuity of the eddy bolus velocity, we require that the gradient of <inline-formula><mml:math id="M162" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>gm</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be continuous at <inline-formula><mml:math id="M163" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. This imposes a constraint analogous to Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E49"/>) on <inline-formula><mml:math id="M164" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>:
              <disp-formula id="Ch1.E55" content-type="numbered"><label>39</label><mml:math id="M165" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            where <inline-formula><mml:math id="M166" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced open="" close="|"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a vertical length scale for eddies at the top of the BBL. To satisfy Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E53"/>)–(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E55"/>), we select a quadratic form for the structure function <inline-formula><mml:math id="M167" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>:
              <disp-formula id="Ch1.E56" content-type="numbered"><label>40</label><mml:math id="M168" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            However, the effective slope <inline-formula><mml:math id="M169" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can no longer be used to define <inline-formula><mml:math id="M170" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the BBL: Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E40"/>) requires that the effective slope be aligned with the bottom slope at the sea floor, <inline-formula><mml:math id="M171" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at <inline-formula><mml:math id="M172" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. We must therefore employ a modified effective slope <inline-formula><mml:math id="M173" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the isopycnal mixing operator, as expressed in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E41"/>). We define <inline-formula><mml:math id="M174" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as
              <disp-formula id="Ch1.E57" content-type="numbered"><label>41</label><mml:math id="M175" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            where <inline-formula><mml:math id="M176" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a modified structure function that also vanishes at the ocean bed:
              <disp-formula id="Ch1.E58" content-type="numbered"><label>42</label><mml:math id="M177" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            Continuity of the eddy tracer fluxes at the top of the BBL requires that
              <disp-formula id="Ch1.E59" content-type="numbered"><label>43</label><mml:math id="M178" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            Finally, continuity of the eddy flux divergence is enforced by
              <disp-formula id="Ch1.E60" content-type="numbered"><label>44</label><mml:math id="M179" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced close="|" open=""><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            To satisfy Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E58"/>)–(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E60"/>), we select a quadratic form for the structure function <inline-formula><mml:math id="M180" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>:
              <disp-formula id="Ch1.E61" content-type="numbered"><label>45</label><mml:math id="M181" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
</sec>
</sec>
<sec id="Ch1.S2.SS4">
  <label>2.4</label><title>Biogeochemical model formulation</title>
      <p id="d1e6520">The current biogeochemical model implemented in MAMEBUS is an NPZD (nutrient–phytoplankton–zooplankton–detritus) model. This NPZD model is modeled after the size-structured AstroCAT <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx7" id="paren.47"/> and Darwin models <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx77" id="paren.48"/>. For the purpose of this paper, we reduced the size-structured ecosystem model to single phytoplankton and zooplankton size classes, while preserving the option to run multiple size classes in future versions of the model. We also include a detritus variable, which allows for sinking and export of organic matter away from the euphotic zone and redistribution of nutrients in the water column.</p>
      <?pagebreak page770?><p id="d1e6529">The biogeochemical equations in MAMEBUS are formulated similarly to previous NPZD models but cast in terms of the meridionally averaged nutrient, phytoplankton, zooplankton, and detritus concentrations. We neglect additional terms that would be introduced by first formulating the equations and then taking the meridional average, e.g., covariances of the type <inline-formula><mml:math id="M182" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>. This assumption is partially predicated on the idea that zonal gradients in biogeochemical tracers (e.g., nutrients and chlorophyll) are much stronger than meridional gradients, as supported by observations and models <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx25" id="paren.49"/>. For example, <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx74" id="text.50"/> show that average chlorophyll concentrations during the upwelling season vary approximately 2-fold in the northern California Current System, whereas observations from the California Cooperative Oceanic Fisheries Investigations (CalCOFI) (Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F7"/>) show variations by an order of magnitude between nearshore and offshore stations. Along-shore gradients in chlorophyll are observed along the coast, where they are driven by wind and topographic variations; however, they are generally much smaller than the gradient between the coast and the offshore region <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx25" id="paren.51"/>. We recognize that this is a simplification of the true variability in EBUSs, but we consider it appropriate on average over the entire upwelling system, in particular within the idealized MAMEBUS framework, and plan to reassess it in future work.</p>
      <p id="d1e6562">We drop the bar notation indicating a meridional average for this section, with the understanding that all variables denote meridionally averaged quantities. In the following, we include size-dependent uptake and grazing, along with variable sinking speeds for detritus, to retain essential size-dependent biogeochemical interactions and export fluxes. This will facilitate a future introduction of multiple size classes in the model. All variables and coefficients are given in Table <xref ref-type="table" rid="Ch1.T1"/>. We note that all of the parameter values and equations described below measure time in days, whereas more generally MAMEBUS measures time in seconds; appropriate conversions are made in the model code to ensure dimensional consistency.
The main conservation equations for biogeochemical tracers are

                <disp-formula id="Ch1.E62" specific-use="gather" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M183" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E62.63"><mml:mtd><mml:mtext>46a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mo mathsize="2.0em">|</mml:mo><mml:mtext>bio</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">U</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">R</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E62.64"><mml:mtd><mml:mtext>46b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><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>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mo mathsize="2.0em">|</mml:mo><mml:mtext>bio</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">U</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E62.65"><mml:mtd><mml:mtext>46c</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>Z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mo mathsize="2.0em">|</mml:mo><mml:mtext>bio</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E62.66"><mml:mtd><mml:mtext>46d</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mtable rowspacing="0.2ex" columnspacing="1em" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mo mathsize="2.0em">|</mml:mo><mml:mtext>bio</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>Z</mml:mi><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 mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mtext>sink</mml:mtext></mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">R</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            where <inline-formula><mml:math id="M184" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M185" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mo>∘</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>C) is the model temperature, <inline-formula><mml:math id="M186" display="inline"><mml:mi>I</mml:mi></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M187" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) is the local irradiance profile, <inline-formula><mml:math id="M188" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M189" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">mmol</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) is nitrate concentration, <inline-formula><mml:math id="M190" display="inline"><mml:mi>P</mml:mi></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M191" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">mmol</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) is phytoplankton concentration, <inline-formula><mml:math id="M192" display="inline"><mml:mi>Z</mml:mi></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M193" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">mmol</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) is zooplankton concentration, and <inline-formula><mml:math id="M194" display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M195" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">mmol</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) is the detritus concentration. The terms on the right-hand sides of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E62.63"/>)–(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E62.66"/>) are explained in the following subsections.</p>

<?xmltex \floatpos{t}?><table-wrap id="Ch1.T1" specific-use="star"><?xmltex \currentcnt{1}?><?xmltex \def\figurename{Table}?><label>Table 1</label><caption><p id="d1e7025">Parameters and values used in the ecosystem model implemented in MAMEBUS. Coefficients without explicit references are chosen by the user.</p></caption><oasis:table frame="topbot"><oasis:tgroup cols="5">
     <oasis:colspec colnum="1" colname="col1" align="left"/>
     <oasis:colspec colnum="2" colname="col2" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="3" colname="col3" align="left"/>
     <oasis:colspec colnum="4" colname="col4" align="left"/>
     <oasis:colspec colnum="5" colname="col5" align="left"/>
     <oasis:thead>
       <oasis:row rowsep="1">
         <oasis:entry colname="col1">Parameter</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">Value</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">Units</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">Description</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">Reference</oasis:entry>
       </oasis:row>
     </oasis:thead>
     <oasis:tbody>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M196" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">0.45</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"/>
         <oasis:entry colname="col4">Fraction of light available for photosynthesis (PAR)</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">
                    <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx51" id="text.52"/>
                  </oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M197" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">0.01</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math id="M198" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mrow class="unit"><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">mmol</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">Absorption coefficient for photosynthesis</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">
                    <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx51" id="text.53"/>
                  </oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M199" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">3</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math id="M200" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">mmol</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">Half-saturation coefficient for phytoplankton grazing</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">
                    <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx7" id="text.54"/>
                  </oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M201" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">0.04</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">1 <inline-formula><mml:math id="M202" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</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></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">Absorption coefficient for water</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">
                    <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx51" id="text.55"/>
                  </oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M203" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">0.25</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math id="M204" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>log⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">µ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">Width of grazing profile</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">
                    <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx7" id="text.56"/>
                  </oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M205" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">5</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math id="M206" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">µ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">Length (ESD) of phytoplankton cell</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5"/>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M207" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">10</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math id="M208" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">µ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">Length (ESD) of zooplankton cell</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5"/>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M209" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">0.33</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"/>
         <oasis:entry colname="col4">Biomass assimilation efficiency</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5"/>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M210" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mtext>sw</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">340</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math id="M211" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">Surface irradiance</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">
                    <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx51" id="text.57"/>
                  </oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M212" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">0.05</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">1 <inline-formula><mml:math id="M213" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mo>∘</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>C<inline-formula><mml:math id="M214" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">Temperature dependence of nutrient uptake</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">
                    <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx77" id="text.58"/>
                  </oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M215" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mtext>remin</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">0.04</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">1 d<inline-formula><mml:math id="M216" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">Remineralization rate</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">
                    <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx77" id="text.59"/>
                  </oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M217" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">10</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math id="M218" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mo>∘</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>C</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">Reference temperature</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5"/>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M219" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">0.02</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"/>
         <oasis:entry colname="col4">Phytoplankton mortality as a fraction of growth rate</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">
                    <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx7" id="text.60"/>
                  </oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M220" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">0.97–12.57</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math id="M221" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">mmol</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</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></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">Density dependent zooplankton mortality</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">
                    <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx21" id="text.61"/>
                  </oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M222" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mtext>sink</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">10</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math id="M223" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</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></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">Sinking speed of detritus</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5"/>
       </oasis:row>
     </oasis:tbody>
   </oasis:tgroup></oasis:table></table-wrap>

<sec id="Ch1.S2.SS4.SSS1">
  <label>2.4.1</label><title>Nutrient uptake</title>
      <p id="d1e7683">Common controls on phytoplankton population are bottom-up limitation (i.e., nutrient control), and top-down grazing by zooplankton <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx60" id="paren.62"/>. We formulate bottom-up controls using typical choices for light- and temperature-dependent terms, and Michaelis–Menten uptake <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx60" id="paren.63"/>. The functional form of uptake is given by
              <disp-formula id="Ch1.E67" content-type="numbered"><label>47</label><mml:math id="M224" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">U</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mtext>max</mml:mtext></mml:msup><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            where <inline-formula><mml:math id="M225" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M226" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are light- and temperature-limiting functions, respectively. The light attenuation is modeled by integrating the Beer–Lambert law, following <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx51" id="text.64"/>:

                  <disp-formula id="Ch1.E68" specific-use="align" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M227" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E68.69"><mml:mtd><mml:mtext>48a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>par</mml:mtext></mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext> where </mml:mtext><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">sw</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E68.70"><mml:mtd><mml:mtext>48b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>par</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

              and the light-dependent uptake function is modeled following <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx60" id="text.65"/>,
              <disp-formula id="Ch1.E71" content-type="numbered"><label>49</label><mml:math id="M228" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            The temperature component of the uptake function is
              <disp-formula id="Ch1.E72" content-type="numbered"><label>50</label><mml:math id="M229" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>T</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            The maximum uptake rate is an allometric relationship defined as
              <disp-formula id="Ch1.E73" content-type="numbered"><label>51</label><mml:math id="M230" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mtext>max</mml:mtext></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            where <inline-formula><mml:math id="M231" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the user-determined phytoplankton size expressed as equivalent spherical diameter (ESD), and <inline-formula><mml:math id="M232" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">µ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a normalized length scale, with all allometrically defined variables listed in Table <xref ref-type="table" rid="Ch1.T2"/>. While there are other options for the bases of these allometric relationships outlined in this section (e.g., cell volume), we make the decision to use ESD as a measure of cell size. Finally, the half-saturation coefficient is <inline-formula><mml:math id="M233" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M234" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">mmol</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>

<?xmltex \floatpos{t}?><table-wrap id="Ch1.T2" specific-use="star"><?xmltex \currentcnt{2}?><?xmltex \def\figurename{Table}?><label>Table 2</label><caption><p id="d1e8122">Parameters and values used in the ecosystem model implemented in MAMEBUS. Coefficients without explicit references are chosen by the user.</p></caption><oasis:table frame="topbot"><oasis:tgroup cols="5">
     <oasis:colspec colnum="1" colname="col1" align="left"/>
     <oasis:colspec colnum="2" colname="col2" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="3" colname="col3" align="left"/>
     <oasis:colspec colnum="4" colname="col4" align="left"/>
     <oasis:colspec colnum="5" colname="col5" align="left"/>
     <oasis:thead>
       <oasis:row rowsep="1">
         <oasis:entry colname="col1">Parameter</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">Value</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">Units</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">Description</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">Reference</oasis:entry>
       </oasis:row>
     </oasis:thead>
     <oasis:tbody>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M235" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">2.6</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">1 <inline-formula><mml:math id="M236" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</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></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">Uptake rate</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">
                      <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx68" id="text.66"/>
                    </oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M237" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M238" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.45</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"/>
         <oasis:entry colname="col4">Scaling parameter for uptake</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">
                      <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx68" id="text.67"/>
                    </oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M239" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">26</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">1 <inline-formula><mml:math id="M240" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</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></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">Grazing rate</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">
                      <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx35" id="text.68"/>
                    </oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M241" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M242" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.4</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"/>
         <oasis:entry colname="col4">Scaling parameter for grazing</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">
                      <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx35" id="text.69"/>
                    </oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M243" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">0.65</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math id="M244" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">µ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">Optimal predator–prey length scale</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">
                      <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx35" id="text.70"/>
                    </oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M245" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">0.56</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"/>
         <oasis:entry colname="col4">Scaling parameter for optimal predator–prey interaction</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">
                      <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx35" id="text.71"/>
                    </oasis:entry>
       </oasis:row>
     </oasis:tbody>
   </oasis:tgroup></oasis:table></table-wrap>

</sec>
<sec id="Ch1.S2.SS4.SSS2">
  <label>2.4.2</label><title>Grazing</title>
      <?pagebreak page771?><p id="d1e8401">Top-down processes are represented by zooplankton grazing on phytoplankton. <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx3" id="text.72"/> noted that there is an optimal length scale for active predation and grazing, as a strategic trade-off for optimal biomass assimilation. We make the assumption that the biomass assimilation of phytoplankton by zooplankton also follows Michaelis–Menten dynamics, then the functional form of grazing is given by
              <disp-formula id="Ch1.E74" content-type="numbered"><label>52</label><mml:math id="M246" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mtext>max</mml:mtext></mml:msup><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            where the maximum grazing rate is defined by an allometric relationship defined as
              <disp-formula id="Ch1.E75" content-type="numbered"><label>53</label><mml:math id="M247" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mtext>max</mml:mtext></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            where <inline-formula><mml:math id="M248" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> represents a “per day” quantity.
We define a Gaussian distribution about an optimal grazing length-scale following <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx7" id="text.73"/>:
              <disp-formula id="Ch1.E76" content-type="numbered"><label>54</label><mml:math id="M249" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>log⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>log⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mtext>opt</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            where <inline-formula><mml:math id="M250" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> sets the width of the optimal grazing profile and defines a band of grazing about the optimal prey size, <inline-formula><mml:math id="M251" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mtext>opt</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. By allowing for a variable band of grazing, we are able to control the assimilation efficiency of phytoplankton by zooplankton through direct preferential grazing. Accordingly, we model the optimal prey size based on a preferential grazing profile centered about an optimal predator–prey length scale:
              <disp-formula id="Ch1.E77" content-type="numbered"><label>55</label><mml:math id="M252" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mtext>opt</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
</sec>
<sec id="Ch1.S2.SS4.SSS3">
  <label>2.4.3</label><title>Mortality</title>
      <p id="d1e8641">Mortality closure terms often set important internal dynamics in ecosystem models <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx55" id="paren.74"/>. While linear mortality terms are generally used for phytoplankton, zooplankton mortality is often modeled via a quadratic term to avoid unrealistic oscillations and stabilize the solution <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx55" id="paren.75"/>.
The quadratic mortality term may be rationalized as a representation of mixotrophic grazing, zooplankton self-grazing, and higher-order grazing in NPZD models <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx56" id="paren.76"/>. Therefore, we model phytoplankton mortality as
              <disp-formula id="Ch1.E78" content-type="numbered"><label>56</label><mml:math id="M253" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mtext>max</mml:mtext></mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            and zooplankton mortality as
              <disp-formula id="Ch1.E79" content-type="numbered"><label>57</label><mml:math id="M254" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
</sec>
<sec id="Ch1.S2.SS4.SSS4">
  <label>2.4.4</label><title>Remineralization and particle sinking</title>
      <p id="d1e8718">Sinking particles are an essential component of the vertical transport of nutrients from the surface to the deep ocean <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx60" id="paren.77"/>. Once particles sink past the euphotic zone, they are remineralized and returned to the<?pagebreak page772?> subsurface nutrient pool. In this model, we represent remineralization processes via a linear rate, i.e.,
              <disp-formula id="Ch1.E80" content-type="numbered"><label>58</label><mml:math id="M255" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">R</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mtext>remin</mml:mtext></mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            where <inline-formula><mml:math id="M256" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mtext>remin</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the specific remineralization rate.</p>
      <p id="d1e8760">Particles sink at a constant average speed in the water column, following Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E62.66"/>). At the bottom boundary, we impose zero sinking flux, i.e., <inline-formula><mml:math id="M257" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mtext>sink</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at <inline-formula><mml:math id="M258" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Thus, any nutrients that sink to the sea floor as detritus must remineralize there.
This allows for redistribution of nutrients by mixing within the bottom boundary layer, diffusion into the interior, and transport via upwelling onto the shelf.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="Ch1.S2.SS5">
  <label>2.5</label><title>Non-conservative terms</title>
      <p id="d1e8813">In this section, we describe the treatment of all non-conservative terms in the tracer evolution equation. MAMEBUS allows arbitrary restoring of all tracers, which may be used, for example, to impose offshore boundary conditions or to impose restoring at the sea surface. Fixed fluxes of all tracers may also be imposed through the surface. More precisely, we formulate the non-conservative tracer tendency as
            <disp-formula id="Ch1.E81" content-type="numbered"><label>59</label><mml:math id="M259" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mo mathsize="2.0em">|</mml:mo><mml:mtext>nct</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mo mathsize="2.0em">|</mml:mo><mml:mtext>restore</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mo mathsize="2.0em">|</mml:mo><mml:mtext>flux</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          The restoring and surface flux components of this tendency are discussed separately below.</p>
<sec id="Ch1.S2.SS5.SSS1">
  <label>2.5.1</label><title>Restoring</title>
      <p id="d1e8895">The restoring of a tracer is represented as an exponential decay to a prescribed, spatially varying tracer field, <inline-formula><mml:math id="M260" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, with timescale <inline-formula><mml:math id="M261" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The tracer restoring is then formulated as
              <disp-formula id="Ch1.E82" content-type="numbered"><label>60</label><mml:math id="M262" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mo mathsize="2.0em">|</mml:mo><mml:mtext>restore</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
</sec>
<sec id="Ch1.S2.SS5.SSS2">
  <label>2.5.2</label><title>Tracer fluxes</title>
      <p id="d1e9006">Surface fluxes are represented as a tendency in the tracer concentration in the surface grid boxes. For an arbitrary tracer <inline-formula><mml:math id="M263" display="inline"><mml:mi>c</mml:mi></mml:math></inline-formula>, we formulate the surface flux term as follows:
              <disp-formula id="Ch1.E83" content-type="numbered"><label>61</label><mml:math id="M264" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mo mathsize="2.0em">|</mml:mo><mml:mtext>flux</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mtext>flux</mml:mtext><mml:mi>c</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mtext>flux</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close="" open="{"><mml:mtable rowspacing="2pt" class="array" columnalign="left left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>flux</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            Here, <inline-formula><mml:math id="M265" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>flux</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the downward flux of <inline-formula><mml:math id="M266" display="inline"><mml:mi>c</mml:mi></mml:math></inline-formula> (units of [<inline-formula><mml:math id="M267" display="inline"><mml:mi>c</mml:mi></mml:math></inline-formula>]m s<inline-formula><mml:math id="M268" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>) at the surface. For the case of buoyancy, the surface flux is imposed as a surface energy flux, <inline-formula><mml:math id="M269" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M270" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), with
              <disp-formula id="Ch1.E84" content-type="numbered"><label>62</label><mml:math id="M271" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>flux</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            where <inline-formula><mml:math id="M272" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4000</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M273" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">J</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">K</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">kg</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> is the specific heat capacity.</p>
</sec>
</sec>
</sec>
<sec id="Ch1.S3">
  <label>3</label><title>MAMEBUSv1.0 algorithm</title>
      <p id="d1e9286">In this section, we discuss the numerical solution of the model equations presented in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2"/>. This entails a recasting of the equations in terrain-following, or “sigma”, coordinates <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx65 bib1.bibx62" id="paren.78"><named-content content-type="pre">e.g.,</named-content></xref>, followed by the spatial discretization of the equations and algorithms for numerical time stepping.</p>
<sec id="Ch1.S3.SS1">
  <label>3.1</label><title>Formulation in terrain-following coordinates</title>
      <?pagebreak page773?><p id="d1e9303">We solve the model equations presented in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2"/> in a coordinate system that “stretches” in the vertical to follow the shape of the sea floor. Such a coordinate system avoids “steps” in the sea floor that arise, for example, when using geopotential vertical coordinates and allows fine vertical resolution of the bottom boundary layer <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx65 bib1.bibx62" id="paren.79"><named-content content-type="pre">e.g.,</named-content></xref>. Formally, we make a coordinate transformation <inline-formula><mml:math id="M274" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>→</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M275" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a dimensionless vertical coordinate and is defined such that <inline-formula><mml:math id="M276" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at <inline-formula><mml:math id="M277" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M278" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at <inline-formula><mml:math id="M279" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. This transformation requires a relationship between <inline-formula><mml:math id="M280" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M281" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> via a transformation function
            <disp-formula id="Ch1.E85" content-type="numbered"><label>63</label><mml:math id="M282" display="block"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          For example, a “pure” <inline-formula><mml:math id="M283" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> coordinate corresponds to the choice
            <disp-formula id="Ch1.E86" content-type="numbered"><label>64</label><mml:math id="M284" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          where <inline-formula><mml:math id="M285" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the meridionally averaged water column thickness.
However, this is not necessarily the most practical choice for numerical applications, in which it is useful to focus the vertical resolution over certain depth ranges (especially those close to the top and bottom boundaries of the ocean). MAMEBUS currently implements the UCLA-ROMS <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx63" id="paren.80"/> transformation function:
            <disp-formula id="Ch1.E87" content-type="numbered"><label>65</label><mml:math id="M286" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          Here, <inline-formula><mml:math id="M287" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the stretching function, defined as
            <disp-formula id="Ch1.E88" content-type="numbered"><label>66</label><mml:math id="M288" display="block"><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="{" close=""><mml:mtable rowspacing="3pt" class="array" columnalign="left left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          where
            <disp-formula id="Ch1.E89" content-type="numbered"><label>67</label><mml:math id="M289" display="block"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close="" open="{"><mml:mtable class="array" rowspacing="3pt" columnalign="left left"><mml:mtr><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>cosh⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>cosh⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</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:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          Here, <inline-formula><mml:math id="M290" display="inline"><mml:mi>C</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M291" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> are the bottom and surface components of the stretching function, respectively. The parameters <inline-formula><mml:math id="M292" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M293" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are surface and bottom stretching parameters; larger values cause the near-surface and near-bottom portions of the domain to occupy larger fraction of <inline-formula><mml:math id="M294" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> space. The parameter <inline-formula><mml:math id="M295" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> defines a surface layer thickness, in which the coordinate system is approximately aligned with geopotentials, provided that <inline-formula><mml:math id="M296" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≫</mml:mo><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <?pagebreak page774?><p id="d1e9949">We now write the physical tracer evolution (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E11"/>) in <inline-formula><mml:math id="M297" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> coordinates. For a given function <inline-formula><mml:math id="M298" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we can write derivatives with respect to <inline-formula><mml:math id="M299" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M300" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> as

                <disp-formula id="Ch1.E90" specific-use="align" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M301" display="block"><mml:mtable rowspacing="3pt" displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E90.91"><mml:mtd><mml:mtext>68a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mfenced close="|" open=""><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>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mfenced open="" close="|"><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>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mfenced open="" close="|"><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>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E90.92"><mml:mtd><mml:mtext>68b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mfenced close="|" open=""><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">σ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mfenced open="" close="|"><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>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            Using these identities, we may write the divergence of an arbitrary vector <inline-formula><mml:math id="M302" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">F</mml:mi></mml:math></inline-formula>, with components <inline-formula><mml:math id="M303" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M304" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the <inline-formula><mml:math id="M305" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M306" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> directions, respectively, as
            <disp-formula id="Ch1.E93" content-type="numbered"><label>69</label><mml:math id="M307" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" columnspacing="1em" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">F</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mfenced open="" close="|"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mfenced close="|" open=""><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mfenced open="" close="|"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mfenced open="" close="|"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
          Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E93"/>), combined with the definition of the mean stream function (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E24"/>), allows us to write the mean advection term in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E11"/>) as
            <disp-formula id="Ch1.E94" content-type="numbered"><label>70</label><mml:math id="M308" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" columnspacing="1em" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mfenced close="|" open=""><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mfenced open="" close="|"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mfenced open="" close="|"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mfenced open="" close="|"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mfenced open="" close="|"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mfenced close="|" open=""><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
          An analogous expression may be obtained for the eddy advection term, <inline-formula><mml:math id="M309" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>⋆</mml:mo></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E11"/>), using the definition (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E35"/>) of the eddy stream function.
Next, we apply Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E93"/>) to the isopycnal mixing operator, defined by Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E39"/>), in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E11"/>) to obtain
            <disp-formula id="Ch1.E95" content-type="numbered"><label>71</label><mml:math id="M310" display="block"><mml:mtable class="split" columnspacing="1em" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>∥</mml:mo></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mfenced close="|" open=""><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close=""><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:mfenced close="" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced open="" close="|"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced open="" close="]"><mml:mfenced close=")" open=""><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mfenced open="" close="|"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mfenced close="|" open=""><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close=""><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=""><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced open="" close="|"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced close="]" open=""><mml:mfenced open="" close=")"><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mfenced open="" close="|"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
          where <inline-formula><mml:math id="M311" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the slope of surfaces of constant <inline-formula><mml:math id="M312" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> in <inline-formula><mml:math id="M313" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>–<inline-formula><mml:math id="M314" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> space, i.e., the slope of the <inline-formula><mml:math id="M315" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> coordinate grid lines. Thus, the isopycnal mixing operator is essentially just modified by subtracting <inline-formula><mml:math id="M316" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from <inline-formula><mml:math id="M317" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to obtain the mixing slope relative to the slope of the <inline-formula><mml:math id="M318" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> coordinate grid. Over most of the water column, <inline-formula><mml:math id="M319" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is equal to the isopycnal slope <inline-formula><mml:math id="M320" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>int</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, given by
            <disp-formula id="Ch1.E96" content-type="numbered"><label>72</label><mml:math id="M321" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" columnspacing="1em" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>int</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced close="|" open=""><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced open="" close="|"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced close="|" open=""><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mfenced close="|" open=""><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced open="" close="|"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced open="" close="|"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mfenced close="|" open=""><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
          Thus, the quantity <inline-formula><mml:math id="M322" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>int</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can actually be computed more directly than the true isopycnal slope, as
            <disp-formula id="Ch1.E97" content-type="numbered"><label>73</label><mml:math id="M323" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>int</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mfenced close="|" open=""><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mfenced open="" close="|"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          Finally, the <inline-formula><mml:math id="M324" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> coordinate transformation of the vertical (quasi-diapycnal) mixing operator is
            <disp-formula id="Ch1.E98" content-type="numbered"><label>74</label><mml:math id="M325" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced open="" close="|"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>dia</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mfenced open="" close="|"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mfenced open="" close="|"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>dia</mml:mtext></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mfenced open="" close="|"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          To summarize, we write Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E11"/>) in <inline-formula><mml:math id="M326" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> coordinates as
            <disp-formula id="Ch1.E99" content-type="numbered"><label>75</label><mml:math id="M327" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced open="" close="|"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mtext>phys</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mtext>adv</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mtext>dia</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mtext>lat</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          where the tendency terms are

                <disp-formula id="Ch1.E100" specific-use="gather" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M328" display="block"><mml:mtable rowspacing="2pt 2pt 2pt" displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E100.101"><mml:mtd><mml:mtext>76a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mtable class="split" columnspacing="1em" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mtext>adv</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mfenced close="|" open=""><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mfenced open="" close="|"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>†</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mfenced close="|" open=""><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mfenced close="|" open=""><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>†</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E100.102"><mml:mtd><mml:mtext>76b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mtable columnspacing="1em" rowspacing="0.2ex 2pt 0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mfenced close="|" open=""><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close="" open="["><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=""><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced open="" close="|"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced open="" close="]"><mml:mfenced close=")" open=""><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mfenced close="|" open=""><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mfenced open="" close="|"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close=""><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mfenced close="" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced open="" close="|"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced close="]" open=""><mml:mfenced close=")" open=""><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mfenced open="" close="|"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E100.103"><mml:mtd><mml:mtext>76c</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mtext>dia</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mfenced close="|" open=""><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>dia</mml:mtext></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mfenced open="" close="|"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E100.104"><mml:mtd><mml:mtext>76d</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mtext>lat</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi>c</mml:mi></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            Here, we define
            <disp-formula id="Ch1.E105" content-type="numbered"><label>77</label><mml:math id="M329" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>†</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>⋆</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          as the total advective or “residual” stream function <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx54" id="paren.81"/>, and we have added factors of <inline-formula><mml:math id="M330" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E100.101"/>) so that the fluxes can be directly identified with the zonal velocity, <inline-formula><mml:math id="M331" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>†</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mrow><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:mo>†</mml:mo></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and the dia-<inline-formula><mml:math id="M332" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> velocity, <inline-formula><mml:math id="M333" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϖ</mml:mi><mml:mo>†</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>†</mml:mo></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Note also that every derivative with respect to <inline-formula><mml:math id="M334" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is multiplied by <inline-formula><mml:math id="M335" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and that their product <inline-formula><mml:math id="M336" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is equivalent to a derivative with respect to <inline-formula><mml:math id="M337" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula>. This allows us to simplify the numerical discretization by avoiding explicit references to <inline-formula><mml:math id="M338" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> coordinates and computing these derivatives via finite differencing in <inline-formula><mml:math id="M339" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> coordinates.</p>

      <?xmltex \floatpos{!t}?><fig id="Ch1.F2"><?xmltex \currentcnt{2}?><?xmltex \def\figurename{Figure}?><label>Figure 2</label><caption><p id="d1e12203">Illustration of the numerical grid used to
compute solutions to the model equations.</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=227.622047pt}?><graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/14/763/2021/gmd-14-763-2021-f02.png"/>

        </fig>

</sec>
<sec id="Ch1.S3.SS2">
  <label>3.2</label><title>Spatial discretization of the tracer evolution equation</title>
      <p id="d1e12220">We solve Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E11"/>) using the slope-limited finite-volume scheme of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx41" id="text.82"/> for systems of conservation laws. We divide the domain into a grid of <inline-formula><mml:math id="M340" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by <inline-formula><mml:math id="M341" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> cells, with uniform side lengths <inline-formula><mml:math id="M342" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M343" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in <inline-formula><mml:math id="M344" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>/<inline-formula><mml:math id="M345" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi></mml:math></inline-formula> space, as shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F2"/>. We store the cell-averaged value of <inline-formula><mml:math id="M346" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> at the center of the <inline-formula><mml:math id="M347" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">th</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> grid cell, which we denote as <inline-formula><mml:math id="M348" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The mean, eddy, and residual stream functions are most naturally defined at the cell corners, as this allows a straightforward calculation of the residual velocities at the cell edges:

                <disp-formula id="Ch1.E106" specific-use="align" content-type="subnumberedon"><mml:math id="M349" display="block"><mml:mtable rowspacing="2pt" displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E106.107"><mml:mtd><mml:mtext>78a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msubsup><mml:mi>u</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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>†</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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:mo>†</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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:mo>†</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E106.108"><mml:mtd><mml:mtext>78b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϖ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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:mo>†</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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:mo>†</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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:mo>†</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            Here, we use <inline-formula><mml:math id="M350" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as a shorthand for the spatially varying vertical grid spacing, defined as a centered difference between adjacent grid points. The vertical grid spacing is defined for all cell centers, corners, and faces:

                <disp-formula specific-use="gather" content-type="subnumberedoff"><mml:math id="M351" display="block"><mml:mtable rowspacing="2pt 2pt 2pt" displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E106.109"><mml:mtd><mml:mtext>78c</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></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:mi>k</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>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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.E106.110"><mml:mtd><mml:mtext>78d</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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>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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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.E106.111"><mml:mtd><mml:mtext>78e</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E106.112"><mml:mtd><mml:mtext>78f</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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>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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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>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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            where <inline-formula><mml:math id="M352" display="inline"><mml:mrow><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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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> denotes the physical elevation of each grid point. Note again that <inline-formula><mml:math id="M353" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϖ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the velocity normal to the upper and lower faces of the grid cell and so differs slightly from the true vertical velocity <inline-formula><mml:math id="M354" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d1e12940">To compute the advective tendency, <inline-formula><mml:math id="M355" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mtext>adv</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx41" id="text.83"/> scheme requires a linear interpolation of
<inline-formula><mml:math id="M356" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> over each grid cell. The linear slopes in the <inline-formula><mml:math id="M357" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M358" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi></mml:math></inline-formula>
directions around <inline-formula><mml:math id="M359" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are calculated via slope-limited
finite differences between <inline-formula><mml:math id="M360" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and its adjacent
grid points:

                <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M361" display="block"><mml:mtable rowspacing="2pt" displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E113"><mml:mtd><mml:mtext>79</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mtable columnspacing="1em" rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">minmod</mml:mi><mml:mfenced close="" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</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:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open=""><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E114"><mml:mtd><mml:mtext>80</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mtable columnspacing="1em" rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">minmod</mml:mi><mml:mfenced close="" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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>,</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open=""><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            with parameter <inline-formula><mml:math id="M362" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The “minmod” function evaluates to zero if
its arguments have differing signs and otherwise evaluates to its
argument with smallest modulus. The cell center estimates of the derivatives are then used to construct two different estimates of <inline-formula><mml:math id="M363" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> at each cell face via

                <disp-formula id="Ch1.E115" specific-use="align" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M364" display="block"><mml:mtable rowspacing="2pt 2pt 2pt" displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E115.116"><mml:mtd><mml:mtext>81a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></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:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E115.117"><mml:mtd><mml:mtext>81b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></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:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E115.118"><mml:mtd><mml:mtext>81c</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E115.119"><mml:mtd><mml:mtext>81d</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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>

            Finally, advective fluxes are determined at the cell faces using an estimate of the maximum
propagation speed in the system, which in our case is simply the residual velocity, and thus
the fluxes reduce to an upwind approximation:

                <disp-formula id="Ch1.E120" specific-use="gather" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M365" display="block"><mml:mtable rowspacing="2pt" displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E120.121"><mml:mtd><mml:mtext>82a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mtable class="split" columnspacing="1em" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><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>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced close="" open="["><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>u</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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>†</mml:mo></mml:msubsup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced close="]" open=""><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>u</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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>†</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>|</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E120.122"><mml:mtd><mml:mtext>82b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mtable rowspacing="0.2ex" columnspacing="1em" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϖ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><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:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϖ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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:mo>†</mml:mo></mml:msubsup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced open="" close="]"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϖ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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:mo>†</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>|</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            For this version of the model, the formulation of the <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx41" id="text.84"/> scheme considers only the maximum propagation speed of the momentum, <inline-formula><mml:math id="M366" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and excludes the internal gravity wave speed which is supported with the momentum calculation in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2.SS2"/>. As a result, this would alter the overall advective fluxes; however, we omit this in the current version of the model and note that the full formulation can be implemented here, but we choose to leave this calculation to be updated in a future version of the model.
The advective tendency in <inline-formula><mml:math id="M367" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> space is then computed via straightforward finite differencing of these fluxes:
            <disp-formula id="Ch1.E123" content-type="numbered"><label>83</label><mml:math id="M368" display="block"><mml:mtable class="split" columnspacing="1em" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mtext>adv</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>F</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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϖ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϖ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
          The advective discretization (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E123"/>) requires the residual stream function to be known on all grid cell corners, which allows the numerical fluxes to be computed at the cell edges. The mean stream function <inline-formula><mml:math id="M369" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is computed from the mean velocity field via Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E24"/>):
            <disp-formula id="Ch1.E124" content-type="numbered"><label>84</label><mml:math id="M370" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          The eddy stream function (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E35"/>) depends on the “true” slope (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E96"/>) of the local <inline-formula><mml:math id="M371" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> contours, which we discretize as
            <disp-formula id="Ch1.E125" content-type="numbered"><label>85</label><mml:math id="M372" display="block"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>int</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          The calculation of the derivatives with respect to <inline-formula><mml:math id="M373" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M374" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> is described in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S3.SS5"/>. We then construct <inline-formula><mml:math id="M375" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>⋆</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> on cell corners as
            <disp-formula id="Ch1.E126" content-type="numbered"><label>86</label><mml:math id="M376" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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:mo>⋆</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>gm</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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>S</mml:mi><mml:mtext>int</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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></disp-formula>
          The tracer tendency due to isopycnal diffusion, <inline-formula><mml:math id="M377" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, is discretized following the formulation of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx41" id="text.85"/> for parabolic operators.

                <disp-formula id="Ch1.E127" specific-use="gather" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M378" display="block"><mml:mtable rowspacing="2pt" displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E127.128"><mml:mtd><mml:mtext>87a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" columnspacing="1em" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>H</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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced close="" open="["><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced open="" close="]"><mml:mrow><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E127.129"><mml:mtd><mml:mtext>87b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mtable rowspacing="0.2ex" columnspacing="1em" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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>S</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced open="[" close=""><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced open="" close="]"><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            where <inline-formula><mml:math id="M379" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M380" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M381" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M382" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are computed via Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E115.116"/>)–(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E115.119"/>).
In the interior, the isopycnal diffusion slope <inline-formula><mml:math id="M383" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>int</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and is calculated on cell corners via Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E125"/>) and interpolated to cell faces via

                <disp-formula id="Ch1.E130" specific-use="gather" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M384" display="block"><mml:mtable rowspacing="2pt" displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E130.131"><mml:mtd><mml:mtext>88a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mtable columnspacing="1em" rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><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 close="" open="("><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open=""><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E130.132"><mml:mtd><mml:mtext>88b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mtable rowspacing="0.2ex" columnspacing="1em" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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:mtd><mml:mtd><mml:mrow><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 close="" open="("><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open=""><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            The diffusive tendency is then computed via straightforward finite differencing of the <inline-formula><mml:math id="M385" display="inline"><mml:mi>H</mml:mi></mml:math></inline-formula> fluxes:
            <disp-formula id="Ch1.E133" content-type="numbered"><label>89</label><mml:math id="M386" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" columnspacing="1em" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>H</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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>H</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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
          The tracer tendency due to diapycnal mixing, <inline-formula><mml:math id="M387" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mtext>dia</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, is computed implicitly. During each time step, all other physical and biogeochemical tendencies are computed and used to advance <inline-formula><mml:math id="M388" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> forward one time step <inline-formula><mml:math id="M389" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, i.e.,
            <disp-formula id="Ch1.E134" content-type="numbered"><label>90</label><mml:math id="M390" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>⋆</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          Here, <inline-formula><mml:math id="M391" display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> denotes the time step number, and <inline-formula><mml:math id="M392" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⋆</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes an estimate of <inline-formula><mml:math id="M393" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> at <inline-formula><mml:math id="M394" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (see Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S3.SS3"/> for details of the time-stepping schemes). The updated tracer concentration is then<?pagebreak page776?> further modified via the addition of a “correction” due to diapycnal diffusion. At each longitude, or for each <inline-formula><mml:math id="M395" display="inline"><mml:mi>j</mml:mi></mml:math></inline-formula>, we solve
            <disp-formula id="Ch1.E135" content-type="numbered"><label>91</label><mml:math id="M396" display="block"><mml:mtable class="split" columnspacing="1em" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></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:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>⋆</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced close="" open="["><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>dia</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></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:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></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:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced close="]" open=""><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>dia</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></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:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></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:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></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:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
          Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E135"/>) defines a tridiagonal matrix system of algebraic equations for the unknowns <inline-formula><mml:math id="M397" display="inline"><mml:mrow><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></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:mo>|</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which is inverted using the Thomas algorithm.</p>
      <p id="d1e16687">Finally, the meridional advection is discretized via a straightforward upwind advection scheme:
            <disp-formula id="Ch1.E136" content-type="numbered"><label>92</label><mml:math id="M398" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" columnspacing="1em" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mtext>lat</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><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 close=")" open="("><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>v</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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>†</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>v</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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>†</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
          where <inline-formula><mml:math id="M399" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes the meridional velocity on tracer points and <inline-formula><mml:math id="M400" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes the upstream tracer concentration, defined as
            <disp-formula id="Ch1.E137" content-type="numbered"><label>93</label><mml:math id="M401" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close="" open="{"><mml:mtable rowspacing="3pt" class="array" columnalign="left left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          Here, <inline-formula><mml:math id="M402" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M403" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the tracer concentrations at the northern and southern ends of the domain, respectively. In all of the steps listed above, conditions of zero residual stream function and zero normal tracer flux are applied at the domain boundaries. These conditions are imposed by simply setting <inline-formula><mml:math id="M404" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>†</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to zero on all boundary points and by setting the numerical fluxes (<inline-formula><mml:math id="M405" display="inline"><mml:mi>F</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M406" display="inline"><mml:mi>H</mml:mi></mml:math></inline-formula>, etc.) to zero on the boundary cell faces.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S3.SS3">
  <label>3.3</label><title>Temporal discretization</title>
      <p id="d1e17007">MAMEBUS evolves the model equations forward in time using  Adams–Bashforth (AB) methods <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx19" id="text.86"><named-content content-type="pre">e.g.,</named-content></xref> modified to allow for adaptive-time-step sizes. In this section, we outline the derivation of these methods and formally show the derivation in Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S2"/>. We implement the adaptive-time-step AB methods because this family of methods is numerically stable with our scheme for the momentum equations (see Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2.SS2"/>). We then describe the constraints on the time step imposed by the Courant–Friedrichs–Lewy (CFL) condition.</p>
<sec id="Ch1.S3.SS3.SSS1">
  <label>3.3.1</label><title>Adaptive-time-step Adams–Bashforth methods</title>
      <p id="d1e17026">Our time-integration scheme uses a family of time-step-variable Adams–Bashforth integrative methods.
This specific formulation of the AB methods allows for the model time step to be adjusted dynamically following the CFL conditions described in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S3.SS3.SSS2"/>.
Consider a tracer quantity <inline-formula><mml:math id="M407" display="inline"><mml:mi>c</mml:mi></mml:math></inline-formula> that evolves according to
              <disp-formula id="Ch1.E138" content-type="numbered"><label>94</label><mml:math id="M408" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            Here, the function <inline-formula><mml:math id="M409" display="inline"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> conceptually represents the entire model state, including the physical, biogeochemical, and non-conservative tendencies. We make a note here that the diffusive component of the time-integration step is calculated implicitly and not included in the ABIII integration step (see Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E135"/>). We implement the third-order Adams–Bashforth, or ABIII method, in this version of the model as the default option for time integration.
              <disp-formula id="Ch1.E139" content-type="numbered"><label>95</label><mml:math id="M410" display="block"><mml:mtable class="split" columnspacing="1em" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>ABIII:</mml:mtext><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><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:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><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:mfenced open="(" close=""><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msubsup><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:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><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:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><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:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><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:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced open="" close=""><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><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:msup><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msubsup><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:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><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:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><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:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><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:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced open="" close=")"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mstyle scriptlevel="+1"><mml:mtable columnspacing="0.4em" rowspacing="0.2ex" class="substack"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><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:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msubsup><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:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><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:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><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:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><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:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><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:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><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:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
            The first two time steps require the lower-order methods. We implement a forward Euler for the first time step and a second-order AB scheme (defined below) for the second time step:
              <disp-formula id="Ch1.E140" content-type="numbered"><label>96</label><mml:math id="M411" display="block"><mml:mtable columnspacing="1em" rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>ABII:</mml:mtext><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><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:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><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:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=""><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><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:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open=""><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><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:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><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:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><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:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
            Here, the notation <inline-formula><mml:math id="M412" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> indicates the <inline-formula><mml:math id="M413" display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula>th time step. Derivations for the adaptive-time-stepping ABII and ABIII methods are given in Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S2"/>.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S3.SS3.SSS2">
  <label>3.3.2</label><title>CFL conditions</title>
      <p id="d1e17754">MAMEBUS selects each model time step adaptively to ensure that time stepping is numerically stable. The time step is chosen to ensure that the CFL conditions for each of MAMEBUS's various advective and diffusive operators, described in preceding subsections, are satisfied.</p>
      <?pagebreak page777?><p id="d1e17757">The time step for advection of tracers is limited by the timescale associated with advective propagation across the width of a grid box (<inline-formula><mml:math id="M414" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> or <inline-formula><mml:math id="M415" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). These constraints can approximately be expressed as

                  <disp-formula id="Ch1.E141" specific-use="align" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M416" display="block"><mml:mtable rowspacing="2pt" displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E141.142"><mml:mtd><mml:mtext>97a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mtext>igw</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E141.143"><mml:mtd><mml:mtext>97b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

              <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx18" id="paren.87"/>. Here, <inline-formula><mml:math id="M417" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mtext>igw</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the maximum horizontal propagation speed of internal gravity waves <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx13" id="paren.88"/>:
              <disp-formula id="Ch1.E144" content-type="numbered"><label>98</label><mml:math id="M418" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mtext>igw</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            Particulate sinking in the NPZD model is also calculated explicitly and constrains the time step via a similar CFL criterion:
              <disp-formula id="Ch1.E145" content-type="numbered"><label>99</label><mml:math id="M419" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mtext>sink</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            where <inline-formula><mml:math id="M420" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mtext>sink</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the sinking speed of the particles.</p>
      <p id="d1e17958">We apply additional constraints on the time step to ensure that diffusive operators are stable. The standard numerical stability criterion for a Laplacian diffusion operator is <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx29" id="paren.89"/>
              <disp-formula id="Ch1.E146" content-type="numbered"><label>100</label><mml:math id="M421" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&lt;</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:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            where <inline-formula><mml:math id="M422" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a diffusion coefficient and <inline-formula><mml:math id="M423" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the spatial grid spacing. In the horizontal (<inline-formula><mml:math id="M424" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the diffusion coefficients that determine the diffusive time step are the eddy diffusion and isopycnal diffusion coefficients, when <inline-formula><mml:math id="M425" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>gm</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M426" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, respectively. <fn id="Ch1.Footn1"><p id="d1e18063">Note that although <inline-formula><mml:math id="M427" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> appears only in an advective operator in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E123"/>), this operator can be written as the divergence of a diffusion tensor <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx29" id="paren.90"/>, and experience with MAMEBUS suggests that the more restrictive, diffusive formulation more accurately constrains the model time step.</p></fn> In the vertical (<inline-formula><mml:math id="M428" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), the diffusive time step is determined by the diapycnal diffusivity, <inline-formula><mml:math id="M429" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>dia</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and by the vertical component of the eddy and isopycnal diffusion operators, <inline-formula><mml:math id="M430" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>gm</mml:mtext></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>int</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M431" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>int</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, respectively <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx24" id="paren.91"><named-content content-type="pre">see, e.g.,</named-content></xref>.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="Ch1.S3.SS4">
  <label>3.4</label><title>Discrete momentum equations and barotropic pressure correction</title>
      <p id="d1e18176">In this section, we describe the discretization of the momentum equations presented in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2.SS2"/>, specifically in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E18.19"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E18.20"/>), and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E18.21"/>). To facilitate our discretization, we split the pressure, <inline-formula><mml:math id="M432" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, into barotropic and baroclinic components:
            <disp-formula id="Ch1.E147" content-type="numbered"><label>101</label><mml:math id="M433" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mi mathvariant="normal">Π</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mtext>barotropic</mml:mtext></mml:munder><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:munderover><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mtext>baroclinic</mml:mtext></mml:munder><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          The barotropic and baroclinic components correspond to the pressure at the surface and the hydrostatic pressure variation with depth, respectively.</p>
      <p id="d1e18248">The numerical time integration is calculated in a series of steps which include an explicit calculation of the non-diffusive time step, an implicit calculation of the vertical diffusion, and a barotropic corrector step in order to ensure that the flow is non-divergent. The calculation of the explicit time step is outlined in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S3.SS3"/> and Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S2"/>. In order to be numerically consistent with the calculation of the stream function, the mean horizontal velocities <inline-formula><mml:math id="M434" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M435" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> are stored on the western face of each grid cell. In Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F2"/>, these are labeled as the <inline-formula><mml:math id="M436" display="inline"><mml:mi>u</mml:mi></mml:math></inline-formula> points.
The time step calculation is shown below, noting that the explicit components of the time step, <inline-formula><mml:math id="M437" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">E</mml:mi><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are calculated following the ABIII methods outlined in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S3.SS3"/>, and the implicit diffusion <inline-formula><mml:math id="M438" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">I</mml:mi><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is calculated following Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E135"/>).</p>
      <p id="d1e18317">Given the mean momentum at time step <inline-formula><mml:math id="M439" display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M440" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we first perform the explicit component of the time step to construct an estimate of <inline-formula><mml:math id="M441" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</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>, denoted as <inline-formula><mml:math id="M442" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⋆</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>:
            <disp-formula id="Ch1.E148" content-type="numbered"><label>102</label><mml:math id="M443" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⋆</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">E</mml:mi><mml:mfenced close="}" open="{"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:munder><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          Note that the zonal barotropic pressure gradient, <inline-formula><mml:math id="M444" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Π</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, is excluded from this equation; this will be revisited in the final component of the time step. The discretization of the horizontal pressure-gradient terms in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E148"/>) is described in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S3.SS5"/>.</p>
      <?pagebreak page778?><p id="d1e18494">We next compute the tendency due to vertical viscosity following Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E135"/>), which we denote via the operator <inline-formula><mml:math id="M445" display="inline"><mml:mi mathvariant="script">I</mml:mi></mml:math></inline-formula>. We thereby construct a second estimate of the velocity at time step <inline-formula><mml:math id="M446" 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>, denoted as <inline-formula><mml:math id="M447" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>⋆</mml:mo><mml:mo>⋆</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>:
            <disp-formula id="Ch1.E149" content-type="numbered"><label>103</label><mml:math id="M448" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>⋆</mml:mo><mml:mo>⋆</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">I</mml:mi><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⋆</mml:mo></mml:msup><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          Finally, we apply a tendency due to the zonal barotropic pressure gradient, ensuring that mass is conserved in each vertical fluid column <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx17" id="paren.92"/>:
            <disp-formula id="Ch1.E150" content-type="numbered"><label>104</label><mml:math id="M449" display="block"><mml:mrow><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:munder><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</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:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:munder><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          as required by Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E18.21"/>). We formulate the barotropic pressure correction as
            <disp-formula id="Ch1.E151" content-type="numbered"><label>105</label><mml:math id="M450" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</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:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>⋆</mml:mo><mml:mo>⋆</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><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:mi mathvariant="normal">Π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          Substituting Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E151"/>) into (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E150"/>), we obtain
            <disp-formula id="Ch1.E152" content-type="numbered"><label>106</label><mml:math id="M451" display="block"><mml:mrow><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:mi mathvariant="normal">Π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:munder><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>⋆</mml:mo><mml:mo>⋆</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          This implies that the tendency in the mean zonal velocity due to the zonal barotropic  pressure gradient must serve to bring the depth-integrated zonal velocity to zero, i.e.,
            <disp-formula id="Ch1.E153" content-type="numbered"><label>107</label><mml:math id="M452" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</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:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>⋆</mml:mo><mml:mo>⋆</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:munder><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>⋆</mml:mo><mml:mo>⋆</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          The calculation of the vertical integral of <inline-formula><mml:math id="M453" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>⋆</mml:mo><mml:mo>⋆</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is computed in the model using a Kahan sum <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx39" id="paren.93"/>.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S3.SS5">
  <label>3.5</label><title>Horizontal pressure- and buoyancy-gradient calculations</title>
      <p id="d1e18867">Pressure-gradient calculations in <inline-formula><mml:math id="M454" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> coordinates have been long known to produce discretization errors from the misalignment of geopotential and <inline-formula><mml:math id="M455" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> coordinate surfaces and rely on large cancelations in the vertical gradient near steep slopes <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx4 bib1.bibx34 bib1.bibx49 bib1.bibx50" id="paren.94"/>. We follow <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx62" id="text.95"/> to calculate the horizontal-pressure-gradient force and reduce the errors in horizontal gradient calculations, which otherwise produce large spurious along-slope currents in MAMEBUS (not shown). This algorithm has been extensively tested via its implementation in ROMS <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx62 bib1.bibx63" id="paren.96"/>, so we omit our own tests of the pressure-gradient calculation scheme in this study. For numerical consistency, we also calculate horizontal buoyancy gradients, required to evaluate the isopycnal slope (see Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S3.SS2"/>), using the same algorithm.</p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F3"><?xmltex \currentcnt{3}?><?xmltex \def\figurename{Figure}?><label>Figure 3</label><caption><p id="d1e18898">Stencil for the isopycnal slope and pressure-gradient scheme given by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx62" id="text.97"/>. The points indicate the buoyancy (density) points. The solid lines are the reconstructed coordinate lines used in the horizontal calculation, and the shaded area shows the area integral of the horizontal buoyancy gradient.</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=236.157874pt}?><graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/14/763/2021/gmd-14-763-2021-f03.png"/>

        </fig>

<sec id="Ch1.S3.SS5.SSS1">
  <label>3.5.1</label><title>Zonal pressure gradients</title>
      <p id="d1e18917">In this section, we outline the implementation of the  zonal baroclinic pressure-gradient calculation used in MAMEBUS following <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx62" id="text.98"/>. The ultimate goal of the algorithm is to calculate the following baroclinic pressure gradient at a cell center (see Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E148"/>):
              <disp-formula id="Ch1.E154" content-type="numbered"><label>108</label><mml:math id="M456" display="block"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mo mathsize="2.0em">|</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mtext>baroclinic</mml:mtext></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>A</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∬</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi></mml:munder><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</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="2.0em">|</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            where <inline-formula><mml:math id="M457" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, like the linear case, is the density anomaly, <inline-formula><mml:math id="M458" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a reference density, and <inline-formula><mml:math id="M459" display="inline"><mml:mi>A</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the area between four adjacent buoyancy grid points (shaded area in Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F3"/>). <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx62" id="text.99"/> calculate the second term by implementing a Lagrangian polynomial reconstruction of the <inline-formula><mml:math id="M460" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M461" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:math></inline-formula> fields. By Green's theorem, we write the integrated horizontal density gradient as
              <disp-formula id="Ch1.E155" content-type="numbered"><label>109</label><mml:math id="M462" display="block"><mml:mrow><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∬</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi></mml:munder><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</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="2.0em">|</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo movablelimits="false">∮</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            The two algorithms differ on the treatment of the vertical integration of pressure. The  density Jacobian algorithm first interpolates the density field onto the <inline-formula><mml:math id="M463" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> grid and calculates the values of <inline-formula><mml:math id="M464" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M465" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> along the solid lines in Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F3"/>, then integrates to obtain the pressure. The <inline-formula><mml:math id="M466" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> coordinate primitive form algorithm first integrates the pressure and calculates the gradients using a vertical correction term. We opt for the second algorithm which results in an equation for the horizontal gradient which closely resembles Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E90.91"/>). Furthermore, this  algorithm tends to be more stable in our model. The algorithm is calculated as follows:</p>
      <p id="d1e19138">First, we calculate all elementary differences in <inline-formula><mml:math id="M467" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M468" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula>:

                  <disp-formula id="Ch1.E156" specific-use="align" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M469" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E156.157"><mml:mtd><mml:mtext>110a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</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:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E156.158"><mml:mtd><mml:mtext>110b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E156.159"><mml:mtd><mml:mtext>110c</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><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:mi>k</mml:mi></mml:mrow></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:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E156.160"><mml:mtd><mml:mtext>110d</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</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:mi>k</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:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

              where <inline-formula><mml:math id="M470" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the depth value at the cell centers, where the density tracer is located. Note that the edges of Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F3"/> correspond to the cell centers in MAMEBUS; this requires some extrapolation at the boundaries so that the elementary differences are fully calculated throughout the domain. For all variables, we assume that the elementary differences at the boundary are zero.</p>
      <?pagebreak page779?><p id="d1e19447">We then calculate the hyperbolic differences of all variables. This step calculates an estimate of the derivatives following a cubic spline formalism outlined in more detail in <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx62" id="text.100"/>. The derivatives are then given by

                  <disp-formula id="Ch1.E161" specific-use="align" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M471" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E161.162"><mml:mtd><mml:mtext>111a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E161.163"><mml:mtd><mml:mtext>111b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></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:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></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>

              The vertical hyperbolic differences for <inline-formula><mml:math id="M472" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M473" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> are calculated similarly using Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E156.158"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E156.160"/>). Again, the hyperbolic differences on the boundaries are not defined using Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E161.162"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E161.163"/>), so we extrapolate the hyperbolic averages of density. For example, at the western edge of the domain, we define
              <disp-formula id="Ch1.E164" content-type="numbered"><label>112</label><mml:math id="M474" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" columnspacing="1em" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>N</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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><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 close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
            Analogous extrapolation schemes are applied at all domain boundaries.</p>
      <p id="d1e19899">We the calculate the pressure field using the hydrostatic relationship. This is done via a vertical integration of the density reconstructed along the vertical lines in Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F3"/>. The pressure field is calculated from the surface down. The pressure is calculated in the surface grid cells as
              <disp-formula id="Ch1.E165" content-type="numbered"><label>113</label><mml:math id="M475" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>N</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">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ζ</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:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></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:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ζ</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:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            where <inline-formula><mml:math id="M476" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from the rigid lid assumption in MAMEBUS. Then the pressure is calculated at successively deeper grid levels as
              <disp-formula id="Ch1.E166" content-type="numbered"><label>114</label><mml:math id="M477" display="block"><mml:mtable columnspacing="1em" rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></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:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=""><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced open="" close=""><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="{" close=""><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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>h</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mfenced open="[" close=""><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced close="]" open=""><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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>h</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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>h</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mfenced close="" open="["><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open=""><mml:mfenced close="}" open=""><mml:mfenced open="" close="]"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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>h</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
            We then correct for the iso-<inline-formula><mml:math id="M478" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> pressure gradient introduced by the slope of the <inline-formula><mml:math id="M479" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> coordinate grid, analogous to the continuous expression in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E90.91"/>). This step calculates the product of <inline-formula><mml:math id="M480" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and the local slope of the <inline-formula><mml:math id="M481" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> coordinate and corrects for the interpolation errors from the coordinate transformation. Following the notation used in <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx62" id="text.101"/>,
              <disp-formula id="Ch1.E167" content-type="numbered"><label>115</label><mml:math id="M482" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" columnspacing="1em" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi><mml:msub><mml:mi>C</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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</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:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><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:mi>k</mml:mi></mml:mrow></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:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close="" open="{"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</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:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><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:mi>k</mml:mi></mml:mrow></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:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><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:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><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:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced open="" close="}"><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</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:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</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:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
            Finally, we use Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E166"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E167"/>) to calculate the pressure gradients:
              <disp-formula id="Ch1.E168" content-type="numbered"><label>116</label><mml:math id="M483" display="block"><mml:mtable columnspacing="1em" rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</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="2.0em">|</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><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>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><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:mi>k</mml:mi></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:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi>F</mml:mi><mml:msub><mml:mi>C</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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
</sec>
<sec id="Ch1.S3.SS5.SSSx1" specific-use="unnumbered">
  <title>Buoyancy gradients</title>
      <p id="d1e20949">The buoyancy gradient is calculated similarly to the pressure gradient. However, because we do not vertically integrate the buoyancy term, we opt to use the  density Jacobian algorithm described in <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx62" id="text.102"/>. The pressure-gradient algorithm described above integrates the pressure and then corrects for the pressure gradient in <inline-formula><mml:math id="M484" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> coordinates. The density gradient algorithm described below calculates the line integral about the area enclosed by the <inline-formula><mml:math id="M485" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:math></inline-formula> points where the buoyancy gradient is located (see Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F3"/>). Therefore, we use the following form to calculate the buoyancy gradient:
              <disp-formula id="Ch1.E169" content-type="numbered"><label>117</label><mml:math id="M486" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" columnspacing="1em" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∬</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi></mml:munder><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>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo movablelimits="false">∮</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>F</mml:mi><mml:msub><mml:mi>X</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:mi>k</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>F</mml:mi><mml:msub><mml:mi>C</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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>F</mml:mi><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>F</mml:mi><mml:msub><mml:mi>C</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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
            where <inline-formula><mml:math id="M487" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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 the value of the integral (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E169"/>) along the vertical sides, and <inline-formula><mml:math id="M488" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi><mml:msub><mml:mi>C</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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the value of the integral along the horizontal sides. This calculation follows a similar procedure to the pressure gradient.</p>
      <p id="d1e21178">First, we calculate the elementary differences, and the hyperbolic averages in <inline-formula><mml:math id="M489" display="inline"><mml:mi>b</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M490" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula>, given by Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E156.157"/>)–(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E161.163"/>). Then we calculate the value of the integral along the upper and lower sides of the domain following
              <disp-formula id="Ch1.E170" content-type="numbered"><label>118</label><mml:math id="M491" display="block"><mml:mtable columnspacing="1em" rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi><mml:msub><mml:mi>C</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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</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:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><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:mi>k</mml:mi></mml:mrow></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:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="{" close=""><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</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:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced close="" open=""><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><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:mi>k</mml:mi></mml:mrow></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:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><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:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><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:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced close="}" open=""><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</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:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</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:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
            Note that this formulation is the same as Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E167"/>) but with buoyancy instead of pressure. Then we calculate the value of the line integral along the vertical components of the cell:
              <disp-formula id="Ch1.E171" content-type="numbered"><label>119</label><mml:math id="M492" display="block"><mml:mtable class="split" columnspacing="1em" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close="" open="{"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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>h</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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>h</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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>h</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced open="" close="}"><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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>h</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
            <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx62" id="text.103"/> write Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E90.91"/>) as
              <disp-formula id="Ch1.E172" content-type="numbered"><label>120</label><mml:math id="M493" 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>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mo mathsize="2.0em">|</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">J</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><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>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mo mathsize="2.0em">|</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</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:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</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="2.0em">|</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
           <?pagebreak page780?> This allows us to numerically integrate the buoyancy gradient in the cell as
              <disp-formula id="Ch1.E173" content-type="numbered"><label>121</label><mml:math id="M494" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" columnspacing="1em" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo movablelimits="false">∮</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><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>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>F</mml:mi><mml:msub><mml:mi>X</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:mi>k</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>F</mml:mi><mml:msub><mml:mi>C</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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>F</mml:mi><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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>F</mml:mi><mml:msub><mml:mi>C</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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
            where <inline-formula><mml:math id="M495" display="inline"><mml:mi>A</mml:mi></mml:math></inline-formula>, again, is the area of the cell. At the surface, the boundary condition is given that <inline-formula><mml:math id="M496" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi><mml:msub><mml:mi>C</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:mo>,</mml:mo><mml:mi>N</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">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></p>
      <p id="d1e22216">Finally, in order to calculate the horizontal buoyancy gradient, we divide by the area. Since the area of each cell is defined by the cell-centered <inline-formula><mml:math id="M497" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:math></inline-formula> points, we implement Gauss' area formula:
              <disp-formula id="Ch1.E174" content-type="numbered"><label>122</label><mml:math id="M498" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" columnspacing="1em" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</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:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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:mtd><mml:mtd><mml:mrow><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:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><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:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</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:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><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:mi>k</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>x</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:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</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>x</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:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced close="|" open=""><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</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:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><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:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><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:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
</sec>
<sec id="Ch1.S3.SS5.SSS2">
  <label>3.5.2</label><title>Meridional pressure gradients</title>
      <p id="d1e22534">The along-shore pressure gradient in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E18.20"/>), denoted by <inline-formula><mml:math id="M499" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,  is determined by along-shore gradients in the surface pressure and buoyancy/density that are imposed as model input parameters. We integrate the profiles of pressure following the hydrostatic relationship. We define <inline-formula><mml:math id="M500" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M501" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as the densities at the northern and southern ends of the domain, and <inline-formula><mml:math id="M502" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Π</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as the surface pressures at northern and southern ends of the domain. Then the pressure is given by
              <disp-formula id="Ch1.E175" content-type="numbered"><label>123</label><mml:math id="M503" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" columnspacing="1em" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Π</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Π</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
            Here, the along-shore variations in sea surface pressure and density are both model inputs. We discretize the meridional pressure gradient as
              <disp-formula id="Ch1.E176" content-type="numbered"><label>124</label><mml:math id="M504" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" columnspacing="1em" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo mathsize="2.0em">|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close="" open="["><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><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:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced close="]" open=""><mml:mrow><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></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:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
            Though MAMEBUS allows meridional pressure gradients to be imposed, we have excluded them from our reference solutions in the interest of simplicity.  However, previous studies have highlighted the importance of meridional pressure gradients in supporting interior cross-slope transport and in driving  poleward undercurrents <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx16" id="text.104"/>.  We plan to address the effects of meridional pressure gradients on EBUS ecosystem dynamics in future scientific studies using MAMEBUS.</p>
</sec>
</sec>
</sec>
<sec id="Ch1.S4">
  <label>4</label><title>Implementation details</title>
      <p id="d1e23039">In this section, we outline the details for implementation in MAMEBUS. The model code is written in the C programming language. The model expects various user inputs that include initial conditions, along with user-defined model calculation details in Table <xref ref-type="table" rid="Ch1.T4"/> that include, but are not limited to, the momentum calculation scheme and the time-stepping scheme. The MAMEBUS distribution includes sample MATLAB codes that package these user inputs.</p>
      <p id="d1e23044">The software needed to run this model includes
<list list-type="order"><list-item>
      <p id="d1e23049"><xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx46" id="text.105"/> or later and</p></list-item><list-item>
      <p id="d1e23055">a C compiler (e.g., GCC).</p></list-item></list>
Our provided setup also includes example scripts for running the model on a cluster; however, this model can be easily run locally on a laptop or desktop on any operating system so long as the necessary software is installed. Table <xref ref-type="table" rid="Ch1.T6"/> shows run times for the model on both the cluster and a 2015 Mac laptop.</p>
      <p id="d1e23061">MAMEBUS has three active physical variables: the zonal and meridional momenta, and the temperature (buoyancy). The current implementation of the biogeochemical model<?pagebreak page781?> has four active variables: nitrate (N), phytoplankton (P), zooplankton (Z), and detritus (D). A variable number of additional passive tracers may also be included.</p>

<?xmltex \floatpos{t}?><table-wrap id="Ch1.T3" specific-use="star"><?xmltex \currentcnt{3}?><?xmltex \def\figurename{Table}?><label>Table 3</label><caption><p id="d1e23068">Input parameters expected by the MAMEBUS model code. All parameters listed in this table are chosen by the user. The sample values listed in this table are those used in the reference experiments described in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S5"/>.</p></caption><oasis:table frame="topbot"><oasis:tgroup cols="3">
     <oasis:colspec colnum="1" colname="col1" align="justify" colwidth="10cm"/>
     <oasis:colspec colnum="2" colname="col2" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="3" colname="col3" align="left"/>
     <oasis:thead>
       <oasis:row rowsep="1">
         <oasis:entry colname="col1">Description</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">Value</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">Units</oasis:entry>
       </oasis:row>
     </oasis:thead>
     <oasis:tbody>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Number of horizontal grid points</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">64</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"/>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Number of vertical grid points</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">64</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"/>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Computational domain width</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">400</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">km</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Computational domain height</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">3000</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">m</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Depth of the shelf</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">50</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">m</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Location of the continental slope in the domain from the eastern boundary</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">50</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">km</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Topographic slope</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M505" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">9.8</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"/>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Depth of surface mixed layer</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">40</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">m</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Depth of bottom boundary layer</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">40</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">m</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Drag coefficient in the bottom boundary layer</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M506" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math id="M507" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><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></oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Reference density</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">1000</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math id="M508" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">kg</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Coriolis parameter</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M509" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">1 <inline-formula><mml:math id="M510" display="inline"><mml:mrow class="unit"><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></oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Surface grid stretching parameter</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">9</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"/>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Bottom grid stretching parameter</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">4</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"/>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Depth below the surface over which the vertical coordinate is approximately aligned with geopotentials</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">300</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">m</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">The fraction of the maximum time step taken for each <inline-formula><mml:math id="M511" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to ensure the CFL condition is met</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">0.75</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"/>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">The end time for integration</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">30</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">years</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Output frequency of model data</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">1</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">d</oasis:entry>
       </oasis:row>
     </oasis:tbody>
   </oasis:tgroup></oasis:table></table-wrap>

<sec id="Ch1.S4.SS1">
  <label>4.1</label><title>Expected user inputs and options available</title>
      <p id="d1e23423">MAMEBUS expects a list of parameters given in Table <xref ref-type="table" rid="Ch1.T3"/> that control the physical components of the model, the model run details, and the grid setup. Other identifiers included in this model, given in Table <xref ref-type="table" rid="Ch1.T4"/>, determine which internal schemes the model uses for each specific run. Furthermore, MAMEBUS expects a set of input parameters from physical tracers, forcing, diffusivity, and restoring, along with initial profiles of biogeochemical tracers that are listed in Table <xref ref-type="table" rid="Ch1.T5"/>.</p>
      <p id="d1e23432">For the solutions shown in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S5"/>, the following initial conditions are detailed in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S5.SS1"/>.</p>

<?xmltex \floatpos{t}?><table-wrap id="Ch1.T4" specific-use="star"><?xmltex \currentcnt{4}?><?xmltex \def\figurename{Table}?><label>Table 4</label><caption><p id="d1e23442">MAMEBUS numerical scheme options and descriptors.</p></caption><oasis:table frame="topbot"><oasis:tgroup cols="4">
     <oasis:colspec colnum="1" colname="col1" align="left"/>
     <oasis:colspec colnum="2" colname="col2" align="left"/>
     <oasis:colspec colnum="3" colname="col3" align="left"/>
     <oasis:colspec colnum="4" colname="col4" align="left"/>
     <oasis:thead>
       <oasis:row rowsep="1">
         <oasis:entry colname="col1">Parameter</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">Identifier</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">Value</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">Scheme description</oasis:entry>
       </oasis:row>
     </oasis:thead>
     <oasis:tbody>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">modelType</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">BGC_NONE</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">0</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">Physics only, no biogeochemistry</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1"/>
         <oasis:entry colname="col2">BGC_NPZD</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">1</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">NPZD model,</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row rowsep="1">
         <oasis:entry colname="col1"/>
         <oasis:entry colname="col2"/>
         <oasis:entry colname="col3"/>
         <oasis:entry colname="col4">described in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2.SS4"/></oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">timeSteppingScheme</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">TIMESTEPPING_AB1</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">0</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">First-order Adams–Bashforth variable time stepping</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1"/>
         <oasis:entry colname="col2">TIMESTEPPING_AB2</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">1</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">Second-order Adams–Bashforth variable time stepping</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1"/>
         <oasis:entry colname="col2">TIMESTEPPING_AB3</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">2</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">Third-order Adams–Bashforth variable time stepping</oasis:entry>
       </oasis:row>
     </oasis:tbody>
   </oasis:tgroup></oasis:table></table-wrap>

<?xmltex \floatpos{t}?><table-wrap id="Ch1.T5" specific-use="star"><?xmltex \currentcnt{5}?><?xmltex \def\figurename{Table}?><label>Table 5</label><caption><p id="d1e23570">A table outlining the initial profiles that MAMEBUS expects during initialization. To visualize the grid locations, see Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F2"/>. Each initial profile is included in “all modelTypes” unless otherwise stated. Note that <inline-formula><mml:math id="M512" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the number of zonal domain points and <inline-formula><mml:math id="M513" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the number of vertical domain points given in Table <xref ref-type="table" rid="Ch1.T3"/>.</p></caption><oasis:table frame="topbot"><oasis:tgroup cols="5">
     <oasis:colspec colnum="1" colname="col1" align="left"/>
     <oasis:colspec colnum="2" colname="col2" align="left"/>
     <oasis:colspec colnum="3" colname="col3" align="left"/>
     <oasis:colspec colnum="4" colname="col4" align="left"/>
     <oasis:colspec colnum="5" colname="col5" align="left"/>
     <oasis:thead>
       <oasis:row rowsep="1">
         <oasis:entry colname="col1">Initial profile</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">Parameter</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">Grid location</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">Size</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">Descriptions</oasis:entry>
       </oasis:row>
     </oasis:thead>
     <oasis:tbody>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Zonal momentum</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M514" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math id="M515" display="inline"><mml:mi>u</mml:mi></mml:math></inline-formula> points</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M516" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">All modelTypes</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Meridional momentum</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M517" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math id="M518" display="inline"><mml:mi>v</mml:mi></mml:math></inline-formula> points</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M519" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">All modelTypes</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Temperature</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M520" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math id="M521" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:math></inline-formula> points</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M522" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>×</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">All modelTypes</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Nitrate</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M523" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math id="M524" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:math></inline-formula> points</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M525" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>×</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">NPZD model</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Phytoplankton</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M526" display="inline"><mml:mi>P</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math id="M527" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:math></inline-formula> points</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M528" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>×</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">NPZD model</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Zooplankton</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M529" display="inline"><mml:mi>Z</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math id="M530" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:math></inline-formula> points</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M531" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>×</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">NPZD model</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Detritus</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M532" display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math id="M533" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:math></inline-formula> points</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M534" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>×</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">NPZD model</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Buoyancy diffusivity</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M535" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>gm</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math id="M536" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:math></inline-formula> points</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M537" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">See Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E183"/>)</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Isopycnal diffusivity</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M538" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math id="M539" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:math></inline-formula> points</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M540" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">See Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S5.SS2"/></oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Topography</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M541" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math id="M542" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> points</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M543" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">See Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E178"/>)</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Wind stress</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M544" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</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="col3"><inline-formula><mml:math id="M545" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:math></inline-formula> points</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M546" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">See Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E177"/>)</oasis:entry>
       </oasis:row>
     </oasis:tbody>
   </oasis:tgroup></oasis:table></table-wrap>

</sec>
<sec id="Ch1.S4.SS2">
  <label>4.2</label><title>Model run details</title>
      <p id="d1e24232">The main function of the mamebus.c file has five major components and steps:
<list list-type="order"><list-item>
      <p id="d1e24237">Calculate the time tendency of each tracer. The time step is calculated using the “tderiv” function detailed in Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F4"/>. The explicit tendencies are calculated following Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2"/>.</p></list-item><list-item>
      <p id="d1e24245">Add implicit vertical diffusion and remineralization (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E135"/>).</p></list-item><list-item>
      <p id="d1e24251">Apply zonal barotropic pressure-gradient correction if the “momentumScheme” is MOMENTUM_TTW (Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S3.SS4"/>).</p></list-item><list-item>
      <p id="d1e24257">Enforce zero tendency where relaxation time is zero (Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2.SS5.SSS1"/>).</p></list-item><list-item>
      <p id="d1e24263">Write model state (Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S4.SS3"/>).</p></list-item></list></p>
</sec>
<sec id="Ch1.S4.SS3">
  <label>4.3</label><title>Model data</title>
      <p id="d1e24276">All of the model input and output are saved in binary files. Depending on the “monitorFreq” or the frequency of output, the model will interpolate the between time steps,  calculate the correct model state if necessary, and write the data to file. The following list contains all files that are written to file during the time-integration step. For each model, there is an option to include an arbitrary number of passive tracers; however, this is the standard list of tracers that are included in the indicated modelTypes.
<list list-type="bullet"><list-item>
      <p id="d1e24281">Residual stream function, <inline-formula><mml:math id="M547" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>†</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (all modelTypes)</p></list-item><list-item>
      <p id="d1e24296">Mean stream function, <inline-formula><mml:math id="M548" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> (all modelTypes)</p></list-item><list-item>
      <p id="d1e24310">Eddy stream function, <inline-formula><mml:math id="M549" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>⋆</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (all modelTypes)</p></list-item><list-item>
      <p id="d1e24325">Temperature field (all modelTypes)</p></list-item><list-item>
      <p id="d1e24329">Nitrate (NPZD model)</p></list-item><list-item>
      <p id="d1e24333">Phytoplankton (NPZD model)</p></list-item><list-item>
      <p id="d1e24337">Zooplankton (NPZD model)</p></list-item><list-item>
      <p id="d1e24341">Detritus (NPZD model)</p></list-item></list></p>
</sec>
</sec>
<sec id="Ch1.S5">
  <label>5</label><title>Reference solution and model validation</title>
      <p id="d1e24354">In this section, we present reference solutions for MAMEBUS. Below, we discuss the choice of parameters, the non-conservative forcing, and profiles of restoring.
We focus predominantly on the output of a single run and plan in the future to run parameter sweeps to better understand the response of the ecosystem dynamics to the physical forcing.</p>
<sec id="Ch1.S5.SS1">
  <label>5.1</label><title>Model geometry, initial conditions, and forcing</title>
      <p id="d1e24364">The model is configured to represent an idealized California Current System (CCS). While the model can be formulated to represent a general  EBUS, we use the California Current System as a test case because this allows comparison of our results with measurements from <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx47" id="text.106"/>. Note that we exclude salinity as a physical tracer; while it may be important in determining the structure of the California undercurrent <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx16" id="paren.107"/>, we find that the main features of stratification can be well described by temperature.</p>
      <p id="d1e24373">A list of input fields that MAMEBUS expects is given in Table <xref ref-type="table" rid="Ch1.T5"/>, with a subset illustrated in Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F5"/>. The solutions shown in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S5"/> use the following choices for these input fields. The wind-stress profile is given by
            <disp-formula id="Ch1.E177" content-type="numbered"><label>125</label><mml:math id="M550" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mi>tanh⁡</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          where <inline-formula><mml:math id="M551" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the width of the computational profile given in Table <xref ref-type="table" rid="Ch1.T3"/>, and <inline-formula><mml:math id="M552" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a tuning parameter that controls the horizontal width of the wind-stress drop-off, or wind-stress curl. We tune the offshore maximum to approximate values reported by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx11" id="text.108"/>. While this is the example of wind-stress forcing we choose to use to validate our model, any form of wind-stress forcing can be defined by the user.</p>
      <p id="d1e24464">The topography for the reference solutions is
            <disp-formula id="Ch1.E178" content-type="numbered"><label>126</label><mml:math id="M553" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><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 close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>tanh⁡</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          where <inline-formula><mml:math id="M554" display="inline"><mml:mi>H</mml:mi></mml:math></inline-formula> is depth of the computational domain, <inline-formula><mml:math id="M555" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the slope depth, <inline-formula><mml:math id="M556" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the location of the continental slope in the computational domain, and <inline-formula><mml:math id="M557" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the width of the continental slope given from the topographic slope parameter. All parameters are given in Table <xref ref-type="table" rid="Ch1.T3"/>. The topography is tuned to represent an idealized profile of bathymetry (ETOPO5; <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx23" id="altparen.109"/>) taken from the geographic coordinates given from line 80 in the CalCOFI data <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx47" id="paren.110"/>.</p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F4" specific-use="star"><?xmltex \currentcnt{4}?><?xmltex \def\figurename{Figure}?><label>Figure 4</label><caption><p id="d1e24583">The call tree from the main function of mamebus.c.</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=483.69685pt}?><graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/14/763/2021/gmd-14-763-2021-f04.png"/>

        </fig>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F5" specific-use="star"><?xmltex \currentcnt{5}?><?xmltex \def\figurename{Figure}?><label>Figure 5</label><caption><p id="d1e24594">Initial temperature profile with a profile of offshore restoring which is modeled as a sponge layer on the western side of the boundary, and at the surface, there is a surface restoring to an atmospheric profile, idealized to a profile of temperature from CalCOFI. The northward wind stress is shown at the top of the figure. The white lines in the temperature field are a few lines of constant initial temperature.</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=483.69685pt}?><graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/14/763/2021/gmd-14-763-2021-f05.png"/>

        </fig>

      <?pagebreak page782?><p id="d1e24603">The initial conditions for the tracers in the model are the initial temperature profile, including timescales and inputs for restoring, and initial conditions for the NPZD model, which are tuned to give an approximate concentration of 30 <inline-formula><mml:math id="M558" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">mmol</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the deep ocean. The biogeochemical tracers are not restored in this set of reference solutions. The initial profile of temperature is shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F5"/> and given by
            <disp-formula id="Ch1.E179" content-type="numbered"><label>127</label><mml:math id="M559" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" columnspacing="1em" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mtext>init</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mtext>min</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mtext>max</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mtext>min</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>⋆</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>⋆</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>⋆</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
          where the minimum and maximum temperatures in the domain are <inline-formula><mml:math id="M560" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mtext>min</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M561" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mo>∘</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>C, <inline-formula><mml:math id="M562" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mtext>max</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mtext>max</mml:mtext><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mtext>max</mml:mtext><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mtext>min</mml:mtext><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The maximum and minimum surface temperatures are <inline-formula><mml:math id="M563" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mtext>max</mml:mtext><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">22</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M564" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mo>∘</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>C and <inline-formula><mml:math id="M565" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mtext>min</mml:mtext><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">18</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M566" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mo>∘</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>C, respectively. <inline-formula><mml:math id="M567" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>⋆</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a decay scale for the temperature from the surface. This profile is tuned so that the temperature profile on the western side of the domain approximately matches the profile of temperature from CalCOFI <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx47" id="paren.111"/> in Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F7"/>. We initialize the temperature field with a small tilt in the isosurfaces to speed up the spin-up process. This same initial condition is used as the reference for temperature restoring. The timescale for restoring is given by
            <disp-formula id="Ch1.E180" content-type="numbered"><label>128</label><mml:math id="M568" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi><mml:mtext>west</mml:mtext></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi><mml:mtext>max</mml:mtext></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          where <inline-formula><mml:math id="M569" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">50</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> km is the width of the sponge layer on the western side of the domain, and <inline-formula><mml:math id="M570" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi><mml:mtext>max</mml:mtext></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">30</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> d is the fastest relaxation timescale for temperature. In the surface grid boxes, the restoring timescale is given by
            <disp-formula id="Ch1.E181" content-type="numbered"><label>129</label><mml:math id="M571" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi><mml:mtext>surf</mml:mtext></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          which is consistent with the formulation of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx33" id="text.112"/> for surface grid box thicknesses of approximately 1<inline-formula><mml:math id="M572" display="inline"><mml:mrow><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The restoring at the surface grid box is set to the initial profile of temperature given in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E179"/>).</p>
      <?pagebreak page784?><p id="d1e25056">The initial conditions for NPZD tracers include a constant concentration of nitrate, <inline-formula><mml:math id="M573" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mtext>max</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">30</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M574" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">mmol</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, phytoplankton, <inline-formula><mml:math id="M575" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mtext>max</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.02</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M576" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">mmol</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, zooplankton, <inline-formula><mml:math id="M577" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mtext>max</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.01</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M578" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">mmol</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and an initial profile of detritus of zero. This choice allows for the internal ecosystem dynamics to control the biogeochemical solutions. Finally, the cell size we choose for the phytoplankton cell is <inline-formula><mml:math id="M579" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">µ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The zooplankton cell is optimized to give the optimal predator–prey length scale between the phytoplankton and zooplankton interactions, i.e.,
            <disp-formula id="Ch1.E182" content-type="numbered"><label>130</label><mml:math id="M580" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">0.56</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>log⁡</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0.65</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
</sec>
<sec id="Ch1.S5.SS2">
  <label>5.2</label><title>Isopycnal, buoyancy, and diapycnal mixing</title>
      <p id="d1e25222">The unresolved mesoscale and microscale mixing in the tracer evolution Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E11"/>) are detailed in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2.SS3.SSS1"/> and <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2.SS3.SSS2"/>, respectively. The diapycnal diffusivities are independent of wind stress and are determined by user-input mixed layer depth and maximum magnitudes. The isopycnal and buoyancy diffusivities are time-invariant fields whose spatial structure is prescribed by the user.</p>
      <p id="d1e25231">In our model reference configuration, the eddy and buoyancy diffusivities are functions of the baroclinic radius of deformation – the preferential length scale at which baroclinic instability occurs and closest to the fastest growing mode in the Eady model <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx20" id="paren.113"/>. In MAMEBUS, these diffusivities also exponentially decreases with depth. There are choices for more sophisticated parameterizations of eddy transfer across continental slopes <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx75 bib1.bibx76" id="paren.114"/>, but in this current version of the model, we opt for a simpler description. For example, the buoyancy diffusivity coefficient is defined as
            <disp-formula id="Ch1.E183" content-type="numbered"><label>131</label><mml:math id="M581" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>gm</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>gm</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>max</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          where <inline-formula><mml:math id="M582" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a tuning coefficient that allows for adjustment of the depth of the exponential profile of diffusivity, <inline-formula><mml:math id="M583" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>max</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the maximum depth of the topography offshore, and <inline-formula><mml:math id="M584" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the depth of the topography. For all solutions shown in this section, <inline-formula><mml:math id="M585" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.25</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Note that for this formulation, we assume that <inline-formula><mml:math id="M586" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The maximum buoyancy diffusivity is <inline-formula><mml:math id="M587" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>gm</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1200</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M588" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</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>. Furthermore, <inline-formula><mml:math id="M589" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>gm</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, following  <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx64" id="text.115"/> and <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx1" id="text.116"/>. The isopycnal and buoyancy diffusivity profiles are shown in the left and center panels of Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F6"/>, respectively.</p>
      <p id="d1e25417">The diapycnal diffusivities shown in the right panel of Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F6"/>, with structure function described in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E31"/>), are set<?pagebreak page785?> so that the maximum diffusivity in the mixed layers are given by <inline-formula><mml:math id="M590" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M591" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</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>; otherwise, the ambient diffusivity in the interior is given by <inline-formula><mml:math id="M592" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>bg</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M593" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><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>. In the case where the mixed layers join at the eastern edge of the domain, the profiles of diffusivity are simply added.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S5.SS3">
  <label>5.3</label><title>Model validation</title>
      <p id="d1e25524">We run the reference solutions of MAMEBUS for 25 model years, with initial conditions and physical forcing described in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S5.SS1"/>. We validate the model against observations of temperature, nitrate, and chlorophyll <inline-formula><mml:math id="M594" display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula> concentration in the euphotic zone, based on observations from the CalCOFI program <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx47" id="paren.117"/>. For this comparison, we interpolate a typical CalCOFI section (line 80) to a <inline-formula><mml:math id="M595" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> coordinate grid with realistic topography from the ETOPO database <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx23" id="paren.118"/>. We chose to validate our model with a single transect of from CalCOFI instead of several transects along the same line because averaging over time smooths over the deep chlorophyll maximum.</p>
      <p id="d1e25549">Furthermore, we prescribed a  continental shelf  that is deeper than in nature in order to reduce the model's computation time. Further shallowing the continental shelf is possible, but the CFL constraint imposed by the finer vertical resolution on the shelf extends the computation time.</p>
      <p id="d1e25552">While the continental slope is tuned to have a similar slope as observations in central California near the shelf break, the mixed layers in this model run are set to a constant depth zonally and overlap on the shelf. This choice has been made for simplicity and could be refined via zonally varying mixed layer depths to improve agreement with specific EBUSs. The well-mixed area on the shelf is an analogue to the inner shelf, albeit somewhat deeper than those found in nature <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx45" id="paren.119"/>. In our model comparison, we neglect the inner shelf region in the model and compare the solutions and starting approximately 50 km from the coast.</p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F6" specific-use="star"><?xmltex \currentcnt{6}?><?xmltex \def\figurename{Figure}?><label>Figure 6</label><caption><p id="d1e25561">Inputs of buoyancy diffusivity <bold>(a)</bold>, isopycnal diffusivity <bold>(b)</bold>, and diapycnal diffusivity <bold>(c)</bold> used in the reference solution to MAMEBUS shown in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S5"/>. Note that the isopycnal and diapycnal diffusivities are shown over the entire domain, and the diapycnal diffusivities are shown over the upper 75 m of the domain to highlight the boundary layer mixing and the mixing on the eastern side of the domain on the shelf where the boundary layers merge.</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=483.69685pt}?><graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/14/763/2021/gmd-14-763-2021-f06.png"/>

        </fig>

      <p id="d1e25581">The model temperature is generally in good agreement with observations for the upper ocean, reproducing sloping isotherms towards the coast, and realistic surface values. We observe a cold bias near the coast, which could be a result of the constant wind-stress curl forcing over the domain, inducing upwelling that is too strong in the model. A cold bias observed in the surface just outside the shelf, and a warm bias offshore, are likely caused by the prescription of a constant mixed layer depth, which may be too deep in the model for this particular section and time of the year.</p>
      <p id="d1e25584">As shown by the middle row of Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F7"/>, model nitrate agrees reasonably well with observations in the upper layers, although biases remain, in particular in deeper layers. This may be caused by several factors, including biases in the cross-shore and vertical circulation, and in the cycling of inorganic nutrients and organic matter. For example, remineralization processes are simplified in the model, which does not include dissolved organic matter, and represents export by a single particle size class with a constant sinking speed that was not explicitly tuned to match nutrients.</p>
      <p id="d1e25589">The bottom row of Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F7"/> shows that the model captures the main features of the observed chlorophyll distribution (here calculated based on a fixed chlorophyll to phytoplankton nitrogen ratio of <inline-formula><mml:math id="M596" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mo>:</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> mg, chl <inline-formula><mml:math id="M597" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M598" display="inline"><mml:mo>:</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M599" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">mmol</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> following <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx26" id="altparen.120"/>). High surface concentrations are reproduced near the shelf, with values decreasing further offshore. A deep chlorophyll maximum develops in the lower euphotic zone, at depths between 40 and 80 m, progressively deepening from the coastal to the oligotrophic region offshore. While these patterns are fairly realistic, we note that the very high chlorophyll concentrations observed near the shelf are missing from the model. This underestimation may be caused by the oversimplification of the ecosystem structure in the NPZD model, which only includes a single phytoplankton group, while multiple groups are likely required for a more correct representation of enhanced coastal phytoplankton biomass <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx73" id="paren.121"/>. Furthermore, aspects of these differences could be caused by the idealized nature of the 2-D circulation simulated by the physical model.</p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F7" specific-use="star"><?xmltex \currentcnt{7}?><?xmltex \def\figurename{Figure}?><label>Figure 7</label><caption><p id="d1e25656">Model validation against  in situ CalCOFI data taken along line 80 (point conception) during July 2015. The column on the left shows output from the model under constant wind forcing and is averaged over the last 5 model years. The column on the right shows values taken from CalCOFI and interpolated onto a <inline-formula><mml:math id="M600" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> coordinate grid to allow for direct comparison. The dots in the panels are locations where the data are sampled. This figure shows the comparison between potential temperature, <inline-formula><mml:math id="M601" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> <bold>(a, b)</bold>, nitrate <bold>(c, d)</bold>, and chlorophyll concentration <bold>(e, f)</bold>. </p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=483.69685pt}?><graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/14/763/2021/gmd-14-763-2021-f07.png"/>

        </fig>

      <p id="d1e25689">In order to compare physical solutions, we also include solutions which show the residual stream function, including the mean and eddy components in Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F8"/>. The mean stream function is calculated via the momentum equations given in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2.SS2"/>, whereas the eddy stream function is described in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2.SS3"/>. The positive values indicate clockwise circulation, which, in this case, is indicative of eddy re-stratification opposing the mean upwelling branch <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx15" id="paren.122"/>. The negative values indicate counterclockwise circulation. Figure <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F8"/> shows that residual upwelling of waters onto the continental shelf via the bottom boundary layer, as interior transport onto the shelf is compensated by eddies. In the deep ocean (<inline-formula><mml:math id="M602" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">500</mml:mn><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), there is a relatively strong residual overturning circulation that is likely associated with bottom intensification of the diapycnal mixing coefficient <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx48" id="paren.123"><named-content content-type="pre">e.g.,</named-content></xref>.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S5.SS4">
  <label>5.4</label><title>Resolution parameter sweep</title>
      <p id="d1e25731">In this section, we describe the changes in solutions due to model resolution. We chose four different resolutions and explored the results. Figure <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F9"/> shows the solutions of MAMEBUS after 30 model years. Each panel in Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F9"/> shows the model state in the euphotic zone,  averaged over the final 10 years of integration. All resolutions have the same setup and forcing as described in Sects. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S4"/> and <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S5"/>. The top row shows the potential temperature <inline-formula><mml:math id="M603" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the middle row shows the nitrate concentration, and the bottom row shows the phytoplankton concentration. The model grid resolution increases from left to right, with the coarsest simulation  run on a grid of 32 points horizontally and vertically, and the highest-resolution simulation run on a grid of 128 points horizontally and vertically.</p>
      <p id="d1e25754">Increasing the resolution leads to an overall shoaling of nutrients toward the surface. The largest overall change in near-slope nutrient concentration occurs when the resolution doubles from 32 to 64 horizontal points and vertical levels. Increasing the resolution beyond a <inline-formula><mml:math id="M604" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">64</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">64</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> grid does not substantially change the horizontal distribution of phytoplankton. As referenced in Table <xref ref-type="table" rid="Ch1.T6"/>, doubling the resolution increases the model run time by a multiple of approximately 20. Thus, while the model can practically be run at higher resolution, our tests show that intermediate resolution (64 horizontal and vertical levels) is sufficient to produce a<?pagebreak page787?> favorable comparison with in situ data, without substantially increasing the computation time.</p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F8" specific-use="star"><?xmltex \currentcnt{8}?><?xmltex \def\figurename{Figure}?><label>Figure 8</label><caption><p id="d1e25773">Stream functions calculated by MAMEBUS. This figure shows the residual stream function <bold>(a)</bold> <inline-formula><mml:math id="M605" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>†</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>⋆</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the mean stream function <bold>(b)</bold> as calculated in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2.SS2"/>, and the eddy stream function <bold>(c)</bold> as described in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2.SS3"/>. Note that positive values indicate clockwise circulation, whereas negative values indicate counter-clockwise circulation.</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=483.69685pt}?><graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/14/763/2021/gmd-14-763-2021-f08.png"/>

        </fig>

<?xmltex \floatpos{t}?><table-wrap id="Ch1.T6"><?xmltex \currentcnt{6}?><?xmltex \def\figurename{Table}?><label>Table 6</label><caption><p id="d1e25825">A table outlining model run times of varying resolution between a computational cluster comprised of Intel Xeon E5-2650 v3 CPUs and a 2015 Mac laptop running macOS Catalina (version 10.15.7) for 20 model years, for both computing systems, the model is run on a single core. The highest resolution simulation (<inline-formula><mml:math id="M606" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">128</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">128</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> horizontal and vertical levels) was conducted on the cluster only due to computational constraints on a laptop.</p></caption><oasis:table frame="topbot"><oasis:tgroup cols="3">
     <oasis:colspec colnum="1" colname="col1" align="left"/>
     <oasis:colspec colnum="2" colname="col2" align="left"/>
     <oasis:colspec colnum="3" colname="col3" align="left"/>
     <oasis:thead>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Resolution (horizontal</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">Cluster (single core)</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">Laptop</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row rowsep="1">
         <oasis:entry colname="col1">and vertical levels)</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"/>
         <oasis:entry colname="col3"/>
       </oasis:row>
     </oasis:thead>
     <oasis:tbody>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M607" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">32</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">32</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">32 min</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">22 min</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M608" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">64</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">64</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">499 min</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">401 min</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M609" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">96</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">96</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">3295 min (55 h)</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">–</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M610" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">128</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">128</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">13 000 min (9 d)</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">–</oasis:entry>
       </oasis:row>
     </oasis:tbody>
   </oasis:tgroup></oasis:table></table-wrap>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F9" specific-use="star"><?xmltex \currentcnt{9}?><?xmltex \def\figurename{Figure}?><label>Figure 9</label><caption><p id="d1e25969">This figure shows the model output of temperature, nitrate, and chl with varying resolution. The model was run for 30 years, and solutions shown are averaged over the final 30 years of the model run.</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=483.69685pt}?><graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/14/763/2021/gmd-14-763-2021-f09.png"/>

        </fig>

</sec>
</sec>
<sec id="Ch1.S6" sec-type="conclusions">
  <label>6</label><title>Discussion and future work</title>
      <p id="d1e25987">In this paper, we described the formulation, implementation, and main features of MAMEBUS, an idealized, meridionally averaged model of eastern boundary upwelling systems. The solutions are determined by a general evolution equations for materially conserved tracers (Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2"/>) and the fluid momentum equations under the time-dependent turbulent thermal wind (T3W) approximation <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx17" id="paren.124"/>. It includes parameterizations of mesoscale eddy transfer and surface and bottom boundary layer mixing (Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2.SS3"/>), and a simple ecosystem formulation (Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2.SS4"/>). We further detailed the algorithms and discretizations implemented in the model (Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S3"/>) and discussed reference model inputs and solutions (Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S4"/>). Finally, we performed a preliminary validation based on observations from the California Current System, and we discussed the sensitivity of the model to horizontal and vertical resolution (Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S5"/>).</p>
      <p id="d1e26006">MAMEBUS represents a simple, physically consistent tool in which to test and tune a variety of physical parameterizations and ecosystem model formulations. The ultimate goals of this research include exploration of physical–biogeochemical interactions in EBUS, mechanistic understanding of the factors that control cross-shore gradients in biogeochemical and ecological properties, and investigation of the processes that drive differences between distinct EBUSs.</p>
      <p id="d1e26009">Because of the 2-D framework, we acknowledge shortcomings to the model formulation, including physical aspects like intensification of upwelling around topographic features, for example, resulting from variations in the wind-stress curl <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx11" id="paren.125"/> or fine-scale ocean dynamics. Furthermore, while we parameterize the effect of mesoscale eddies on circulation, we do not account for submesoscale eddies on the shelf, which could play an important role in tracer transport <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx17" id="paren.126"/>. We also do not explicitly represent breaking internal waves and tides on the shelf, which may play an important role in dissipating energy and mixing tracers when the water column is shallow <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx42" id="paren.127"/>.</p>
      <p id="d1e26021">In future studies, we plan to use MAMEBUS to explore the effect of physical drivers such as wind stress, bathymetry, stratification, and eddies in controlling the zonal distribution of phytoplankton and food web processes, as informed by a size-structured ecosystem model. Furthermore, we plan to expand upon the physical framework in this paper by expanding eddy parameterizations to include the effect of submesoscale eddies on the shelf, where the mesoscale eddy activity is inhibited. An aspect of MAMEBUS that requires further investigation is the effect of meridional pressure gradients, which we neglected in our reference solutions in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S5"/>. In reality, the presence of along-shore pressure gradients may support interior across-shore transport away from the surface and bottom boundary layers, with the potential to reshape the coastal ecosystem.</p>
      <p id="d1e26027">With its limited computational cost, MAMEBUS can be used to investigate a wide parameter space in EBUSs and determine their sensitivity to a range of perturbations in major physical forcings, from changes in wind stress to increasing buoyancy forcing associated with climate change <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx59 bib1.bibx61" id="paren.128"/>. Furthermore, by allowing coupling to a variety of biogeochemical and ecosystem models, MAMEBUS can be used to inform comprehensive regional models <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx63" id="paren.129"/>, for which computational costs preclude exhaustive sensitivity studies.</p><?xmltex \hack{\clearpage}?>
</sec>

      
      </body>
    <back><app-group>

<?pagebreak page789?><app id="App1.Ch1.S1">
  <?xmltex \currentcnt{A}?><label>Appendix A</label><title>Decomposing mesoscale eddy advective/diffusive fluxes</title>
      <p id="d1e26048">In this Appendix, we discuss the partitioning of the mesoscale eddy tracer flux into components due to advection and isopycnal diffusion, used in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2.SS1"/> to derive MAMEBUS's central tracer evolution equation, Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E11"/>). We show that the eddy tracer flux, <inline-formula><mml:math id="M611" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, can be arbitrarily decomposed into components directed along mean buoyancy surfaces and along mean tracer surfaces. These components will later be associated with eddy advection and isopycnal stirring, respectively.</p>
      <?pagebreak page790?><p id="d1e26074">The effect of mesoscale eddies on the averaged tracer concentrations is given by the convergence of the eddy tracer flux (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E10"/>):
          <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E184" content-type="numbered"><label>A1</label><mml:math id="M612" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced close="|" open=""><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mtext>eddies</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        and appears on the right-hand side of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E8"/>). Being quasi-adiabatic flows, mesoscale eddies serve to stir material tracers along isopycnal surfaces; this corresponds to an eddy tracer flux directed along buoyancy surfaces <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx57" id="paren.130"/>. Eddies also induce a “bolus” advective transfer of tracers, a generalized “Stokes drift” that corresponds to an eddy tracer flux directed along mean tracer isosurfaces <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx28" id="paren.131"/>. Both of these effects are routinely parameterized in general circulation models <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx30 bib1.bibx29" id="paren.132"/>. To partition the eddy tracer flux between isopycnal stirring and bolus advection, we therefore pose a decomposition of <inline-formula><mml:math id="M613" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> into components directed along mean isopycnals and along mean tracer surfaces, respectively:
          <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E185" content-type="numbered"><label>A2</label><mml:math id="M614" display="block"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">τ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">τ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        Here, <inline-formula><mml:math id="M615" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">τ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M616" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">τ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are unit vectors that point along mean <inline-formula><mml:math id="M617" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> surfaces and along mean <inline-formula><mml:math id="M618" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> surfaces, respectively:
          <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E186" content-type="numbered"><label>A3</label><mml:math id="M619" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">τ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>×</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">τ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>×</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        Note that the <inline-formula><mml:math id="M620" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> components of <inline-formula><mml:math id="M621" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">τ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M622" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">τ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are positive provided that <inline-formula><mml:math id="M623" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M624" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> increase monotonically upward. By taking the vector cross products <inline-formula><mml:math id="M625" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">τ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub><mml:mo>×</mml:mo><mml:mtext>Eq. (A2)</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M626" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">τ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>×</mml:mo><mml:mtext>Eq. (A2)</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we can solve for the vector lengths <inline-formula><mml:math id="M627" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and  <inline-formula><mml:math id="M628" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>:

              <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E187" content-type="numbered"><label>A4</label><mml:math id="M629" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>×</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">τ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">τ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub><mml:mo>×</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">τ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>×</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">τ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">τ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>×</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">τ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        Then, using Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E185"/>)–(<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E187"/>), we write Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E184"/>) as
          <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E188" content-type="numbered"><label>A5</label><mml:math id="M630" display="block"><mml:mtable class="split" columnspacing="1em" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced open="" close="|"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mtext>eddies</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>×</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">τ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">τ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">τ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
        The first term on the right-hand side of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E188"/>) takes the form of an advection operator, in which we can identify the eddy stream function

              <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E189" content-type="numbered"><label>A6</label><mml:math id="M631" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>⋆</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        Note that this definition is ill-defined in the limit <inline-formula><mml:math id="M632" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>; in this limit, <inline-formula><mml:math id="M633" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">τ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M634" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">τ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are parallel, the eddy tracer flux is purely advective, and the stream function becomes
          <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E190" content-type="numbered"><label>A7</label><mml:math id="M635" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>⋆</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        The second term on the right-hand side of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E188"/>) has been written in the form of the divergence of a flux along mean buoyancy surfaces, with the isopycnal gradient operator (see Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2.SS1"/>) appearing explicitly as
          <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E191" content-type="numbered"><label>A8</label><mml:math id="M636" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>∥</mml:mo></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">τ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">τ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        We can then identify the isopycnal diffusivity <inline-formula><mml:math id="M637" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as
          <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E192" content-type="numbered"><label>A9</label><mml:math id="M638" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" columnspacing="1em" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">τ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">|</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:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">|</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">θ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
        where <inline-formula><mml:math id="M639" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the angle between the vectors <inline-formula><mml:math id="M640" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M641" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d1e27228">While the above derivation is general, for application in MAMEBUS, we must make assumptions about the eddy tracer fluxes. Specifically, we assume (i) that approximately identical eddy stream functions <inline-formula><mml:math id="M642" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>⋆</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> advect each different model tracer, (ii) that the isopycnal diffusivity is positive (i.e., that eddy tracer fluxes are always directed down the mean tracer gradients), and (iii) that the isopycnal diffusivity is approximately equal for different model tracers. These assumptions are satisfied in the limit of small-amplitude fluctuations (<inline-formula><mml:math id="M643" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M644" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx52 bib1.bibx54" id="paren.133"/>.</p>
</app>

<app id="App1.Ch1.S2">
  <?xmltex \currentcnt{B}?><label>Appendix B</label><title>Derivation of time-variable Adams–Bashforth methods</title>
      <p id="d1e27275">For a given tracer defined with an associated time tendency equation of the form
          <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E193" content-type="numbered"><label>B1</label><mml:math id="M645" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        We integrate Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S2.E193"/>) in time from <inline-formula><mml:math id="M646" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><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:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>:
          <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E194" content-type="numbered"><label>B2</label><mml:math id="M647" display="block"><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><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:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><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:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        By the fundamental theorem of calculus,
          <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E195" content-type="numbered"><label>B3</label><mml:math id="M648" display="block"><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><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:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><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:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        We interpolate the right-hand side using a Lagrangian polynomial of the form
          <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E196" content-type="numbered"><label>B4</label><mml:math id="M649" display="block"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><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:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><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:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><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:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><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:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><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:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        Then using Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S2.E196"/>) and substituting it into Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S2.E195"/>), we have
          <disp-formula id="App1.Ch1.S2.Ex1"><mml:math id="M650" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" columnspacing="1em" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><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:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><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:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><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:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:mfenced close="" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><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:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><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:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced open="" close=")"><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><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:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><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:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><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:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><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 close="" open="["><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><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:msub><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><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:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mfenced close="]" open=""><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><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:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><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:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><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:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:msub><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:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
        Defining <inline-formula><mml:math id="M651" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><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:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><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:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we obtain
          <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E197" content-type="numbered"><label>B5</label><mml:math id="M652" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" columnspacing="1em" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><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:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</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">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><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:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=""><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><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:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><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:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><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:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><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:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><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:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open=""><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
        Substituting Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S2.E195"/>) into Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S2.E197"/>) yields the full ABII time-stepping scheme, given by Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E140"/>).</p>
      <p id="d1e28431">For higher-order AB methods, we consider a <inline-formula><mml:math id="M653" display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>th-order Lagrangian polynomial of the form

              <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M654" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E198"><mml:mtd><mml:mtext>B6</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E199"><mml:mtd><mml:mtext>B7</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∏</mml:mo><mml:mstyle scriptlevel="+1"><mml:mtable class="substack"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi></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>

          where setting <inline-formula><mml:math id="M655" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as the number of known points in the interpolating polynomial results in the ABIII method. Then, <inline-formula><mml:math id="M656" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the degree of the polynomial. The general form of higher-order AB methods is
          <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E200" content-type="numbered"><label>B8</label><mml:math id="M657" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" columnspacing="1em" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
        The algebra to solve for the full discrete form of the ABIII method follows the derivation of the ABII method above. The solution to the integration in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S2.E200"/>) is given by Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E139"/>).</p>
</app>

<app id="App1.Ch1.S3">
  <?xmltex \currentcnt{C}?><label>Appendix C</label><?xmltex \opttitle{Comparison of boundary layer parameterizations with \citet{FerrariMcWilliams08}}?><title>Comparison of boundary layer parameterizations with <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx24" id="text.134"/></title>
      <?pagebreak page791?><p id="d1e28807">Our representation of eddy advection and isopycnal stirring in the surface mixed layer (SML) and bottom boundary layer (BBL) is adapted from <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx24" id="text.135"/> and is described in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2.SS3.SSS2"/>. We now directly compare our SML/BBL scheme against that of  <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx24" id="text.136"/> to highlight the key differences.</p>
      <p id="d1e28818">As discussed in the “surface mixed layer” subsection, our SML scheme leads to the same eddy stream function as that of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx24" id="text.137"/>, given by Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E43"/>). In contrast, the residual eddy tracer flux in the SML differs as follows:

              <disp-formula id="App1.Ch1.S3.E201" specific-use="gather" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M658" display="block"><mml:mtable rowspacing="2pt" displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E201.202"><mml:mtd><mml:mtext>C1a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mtable columnspacing="1em" rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>∥</mml:mo></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mtext>FMCD</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>int</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E201.203"><mml:mtd><mml:mtext>C1b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mtable rowspacing="0.2ex" columnspacing="1em" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>∥</mml:mo></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          where “FMCD” denotes the formulation of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx24" id="text.138"/>.
Thus, our Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S3.E201.203"/>) differs from Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S3.E201.202"/>) only by the replacement <inline-formula><mml:math id="M659" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>int</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by <inline-formula><mml:math id="M660" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the vertical eddy residual tracer flux. A drawback of using <inline-formula><mml:math id="M661" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>int</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is that typically the vertical buoyancy gradient is very small in the SML, so the form (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S3.E201.202"/>) may not be numerically stable. <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx24" id="text.139"/> propose a modification of the vertical component of the tracer residual eddy flux to avoid dividing by small vertical buoyancy gradients in the mixed layer:
          <disp-formula id="App1.Ch1.S3.E204" content-type="numbered"><label>C2</label><mml:math id="M662" display="block"><mml:mtable class="split" columnspacing="1em" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>∥</mml:mo></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mtext>FMCD</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
        However, this alternative breaks the symmetry of the diffusion tensor, and requires the introduction of an additional vertical structure function, <inline-formula><mml:math id="M663" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Our formulation, Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S3.E205.207"/>), retains the symmetry of the stress tensor and preserves continuity of the vertical flux and its derivative at <inline-formula><mml:math id="M664" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with the same structure function <inline-formula><mml:math id="M665" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (see Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2.SS3.SSS2"/>). It is also simpler to implement, as both the stream function (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E43"/>) and the residual eddy flux (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S3.E201.203"/>) can be written succinctly in terms of the effective slope (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E42"/>).</p>
      <p id="d1e29357">Another difference between our formulation and that of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx24" id="text.140"/> arises in the eddy stirring of buoyancy in the SML:

              <disp-formula id="App1.Ch1.S3.E205" specific-use="gather" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M666" display="block"><mml:mtable rowspacing="2pt" displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E205.206"><mml:mtd><mml:mtext>C3a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>∥</mml:mo></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mtext>FMCD</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E205.207"><mml:mtd><mml:mtext>C3b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mtable class="split" columnspacing="1em" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>∥</mml:mo></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          The <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx24" id="text.141"/> residual eddy buoyancy flux has no vertical component, whereas ours does. This impacts the rate of available potential energy release in the SML by modifying the total vertical eddy buoyancy flux:

              <disp-formula id="App1.Ch1.S3.E208" specific-use="gather" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M667" display="block"><mml:mtable rowspacing="2pt" displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E208.209"><mml:mtd><mml:mtext>C4a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>FMCD</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>gm</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E208.210"><mml:mtd><mml:mtext>C4b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mtable columnspacing="1em" rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>gm</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          The key difference here is that our version (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S3.E208.210"/>) typically releases more potential energy and is not strictly positive definite; if <inline-formula><mml:math id="M668" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≫</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, then in principle <inline-formula><mml:math id="M669" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> may be negative. This corresponds to creation of potential energy, whereas previous studies suggest that potential energy should be consistently released in the SML <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx15" id="paren.142"/>. However, by construction, the vertical derivative of this term is zero at <inline-formula><mml:math id="M670" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and in any practical case <inline-formula><mml:math id="M671" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> will be smaller than <inline-formula><mml:math id="M672" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> throughout the boundary layer. This suggests that if the vertical eddy length scale <inline-formula><mml:math id="M673" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is positive <inline-formula><mml:math id="M674" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, then our scheme releases potential energy everywhere. Note also that the GM component of the vertical eddy buoyancy flux always releases potential energy.</p>
      <p id="d1e29996">Finally, we compare the horizontal component of the eddy buoyancy flux in the SML:

              <disp-formula id="App1.Ch1.S3.E211" specific-use="gather" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M675" display="block"><mml:mtable rowspacing="2pt" displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E211.212"><mml:mtd><mml:mtext>C5a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>FMCD</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>gm</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E211.213"><mml:mtd><mml:mtext>C5b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>gm</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>sml</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          Whereas the <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx24" id="text.143"/> scheme preserves strict lateral downgradient diffusion, this is only true in our scheme if <inline-formula><mml:math id="M676" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>gm</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d1e30141">Further to this comparison with the formulation of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx24" id="text.144"/>, we note that the fluxes discussed above differ substantially in the BBL over sloping topography. For example, the vertical buoyancy flux becomes
          <disp-formula id="App1.Ch1.S3.E214" content-type="numbered"><label>C6</label><mml:math id="M677" display="block"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>gm</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>bbl</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>int</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        Thus, in general,  the eddy buoyancy flux will act to create potential energy (<inline-formula><mml:math id="M678" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) unless the isopycnal slope <inline-formula><mml:math id="M679" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mtext>int</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is of the same sign as the bottom slope and larger in magnitude.  In order to avoid this, it would be necessary to set <inline-formula><mml:math id="M680" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mtext>iso</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> throughout the BBL. This is a separate consideration from the orientation of the residual flux vector, which must certainly lie parallel to the topography if the diffusivity is nonzero.</p><?xmltex \hack{\clearpage}?>
</app>
  </app-group><notes notes-type="codeavailability"><title>Code availability</title>

      <p id="d1e30330">The DOI for the MAMEBUS code is <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5281/zenodo.3866652" ext-link-type="DOI">10.5281/zenodo.3866652</ext-link> <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx66" id="paren.145"/>.</p>

      <p id="d1e30339">This package includes the mamebus.c code along with example setup and processing functions that are used in MATLAB.</p>
  </notes><notes notes-type="dataavailability"><title>Data availability</title>

      <p id="d1e30345">No data sets were used in this article.</p>
  </notes><notes notes-type="authorcontribution"><title>Author contributions</title>

      <p id="d1e30351">ALS conceived and coordinated the development of MAMEBUSv1.0, and advised JEM in further model development. JEM developed and implemented the ecosystem models, updated the calculation of the momentum equation, and fine-tuned the pressure-gradient calculations. DB coordinated the development of the ecosystem model. JCM coordinated the development of the eddy parameterizations in MAMEBUS and advised JEM in further model development. JEM prepared the manuscript with contributions from all co-authors.</p>
  </notes><notes notes-type="competinginterests"><title>Competing interests</title>

      <p id="d1e30357">The authors declare that they have no conflict of interest.</p>
  </notes><ack><title>Acknowledgements</title><p id="d1e30363">This material is based in part upon work supported by the National Science Foundation with grant nos. OCE-1538702, OCE-1751386, and OCE-1635632, and by the National Aeronautics and Space Administration ROSES Physical Oceanography program under grant no. 80NSSC19K1192. Daniele Bianchi gratefully acknowledges funding from the Alfred P. Sloan Foundation. This work used the Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE; <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx69" id="altparen.146"/>), which is supported by National Science Foundation grant no. ACI-1548562.</p></ack><notes notes-type="financialsupport"><title>Financial support</title>

      <p id="d1e30371">This research has been supported by the National Science Foundation (grant nos. OCE-1538702, OCE-1751386, OCE-1635632, and ACI-1548562) and the National Aeronautics and Space Administration (grant no. 80NSSC19K1192).</p>
  </notes><notes notes-type="reviewstatement"><title>Review statement</title>

      <p id="d1e30378">This paper was edited by Qiang Wang and reviewed by two anonymous referees.</p>
  </notes><ref-list>
    <title>References</title>

      <ref id="bib1.bibx1"><?xmltex \def\ref@label{{Abernathey and Marshall(2013)}}?><label>Abernathey and Marshall(2013)</label><?label Abernathy2013?><mixed-citation>
Abernathey, R. P. and Marshall, J.: Global surface eddy diffusivities derived
from satellite altimetry, J. Geophys. Res.-Oceans, 118,
901–916, 2013.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx2"><?xmltex \def\ref@label{{Aiki and Richards(2008)}}?><label>Aiki and Richards(2008)</label><?label AikiRichards08?><mixed-citation>
Aiki, H. and Richards, K. J.: Energetics of the global ocean: the role of
layer-thickness form drag, J. Phys. Oceanogr., 38, 1845–1869, 2008.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx3"><?xmltex \def\ref@label{{Andersen et~al.(2016)}}?><label>Andersen et al.(2016)</label><?label Andersen2016?><mixed-citation>
Andersen, K., Berge, T., Gonçalves, R., Hartvig, M., Heuschele, J.,
Hylander, S., Jacobsen, N., Lindemann, C., Martens, E., Neuheimer, A.,
Olsson, K., Palacz, A., Prowe, A., Sainmont, J., Traving, S., Visser, A.,
Wadhwa, N., and Kiørboe, T.: Characteristic Sizes of Life in the Oceans,
from Bacteria to Whales, Annu. Rev. Marine Sci., 8, 217–241, 2016.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx4"><?xmltex \def\ref@label{{Arakawa and Suarez(1983)}}?><label>Arakawa and Suarez(1983)</label><?label Arakawa1983?><mixed-citation>
Arakawa, A. and Suarez, M. J.: Vertical Differencing of the Primitive Equations
in Sigma Coordinates, Mon. Weather Rev., 111, 34–45, 1983.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx5"><?xmltex \def\ref@label{{Bakun and Nelson(1991)}}?><label>Bakun and Nelson(1991)</label><?label Bakun1991?><mixed-citation>
Bakun, A. and Nelson, C. S.: The Seasonal Cycle of Wind-Stress Curl in
Subtropical Eastern Boundary Current Regions, J. Phys. Oceanogr., 21, 1815–1834,
1991.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx6"><?xmltex \def\ref@label{{Bakun and Parrish(1982)}}?><label>Bakun and Parrish(1982)</label><?label BakunParrish1982?><mixed-citation>
Bakun, A. and Parrish, R. H.: Turbulence, Transport, and Pelagic Fish in the
California and Peru Current Systems, CalCOFI Rep., 23, 1982.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx7"><?xmltex \def\ref@label{{Banas(2011)}}?><label>Banas(2011)</label><?label Banas2011?><mixed-citation>
Banas, N. S.: Adding complex trophic interactions to a size-spectral plankton
model: Emergent diversity patterns and limits on predictability, Ecol.
Modeling, 222, 2663–2675, 2011.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx8"><?xmltex \def\ref@label{{Burke et~al.(2015)}}?><label>Burke et al.(2015)</label><?label Burke2015?><mixed-citation>
Burke, A., Stewart, A. L., Adkins, J. F., Ferrari, R., Jansen, M. F., and
Thompson, A. F.: The glacial mid-depth radiocarbon bulge and its implications
for the overturning circulation, Paleoceanography, 30, 1021–1039, 2015.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx9"><?xmltex \def\ref@label{{Cabre et~al.(2013)}}?><label>Cabre et al.(2013)</label><?label Cabre2013?><mixed-citation>
Cabre, A., Shields, D., Marinov, I., and Kostadinov, T. S.: Phenology of
Size-Partitioned Phytoplankton Carbon-Biomass from Ocean Color Remote Sensing
and CMIP5 Models, Front. Mar. Sci., 3, 39, 2013.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx10"><?xmltex \def\ref@label{{Capet et~al.(2008)}}?><label>Capet et al.(2008)</label><?label Capet2008?><mixed-citation>
Capet, X., Colas, F., McWilliams, J., Penven, P., and Marchesiello, P.: Eddies
in eastern boundary subtropical upwelling systems, Ocean Modeling in an
Eddying Regime, Geophys. Monogr. Ser, 177, 131–147, 2008.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx11"><?xmltex \def\ref@label{{Castelao and Luo(2018)}}?><label>Castelao and Luo(2018)</label><?label Castelao2018?><mixed-citation>
Castelao, R. M. and Luo, H.: Upwelling jet separation in the California Current
System, Sci. Rep.-UK, 8, 1–8, 2018.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx12"><?xmltex \def\ref@label{{Chavez and Messi\'{e}(2009)}}?><label>Chavez and Messié(2009)</label><?label ChavezMessie2009?><mixed-citation>
Chavez, F. P. and Messié, M.: A comparison of Eastern Boundary Upwelling
Ecosystems, Prog. in Oceanog., 83, 80–96, 2009.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx13"><?xmltex \def\ref@label{{Chelton et~al.(1998)}}?><label>Chelton et al.(1998)</label><?label CheltonDeSzoeke98?><mixed-citation>
Chelton, D. B., DeSzoeke, R. A., Schlax, M. G., El Naggar, K., and Siwertz, N.:
Geographical variability of the first baroclinic Rossby radius of
deformation, J. Phys. Oceanogr., 28, 433–460, 1998.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx14"><?xmltex \def\ref@label{{Chenillat et~al.(2018)}}?><label>Chenillat et al.(2018)</label><?label Chenillat18?><mixed-citation>
Chenillat, F., Franks, P. J. S., Capet, X., Rivière, P., Grima, N., Blanke,
B., and Combes, V.: Eddy properties in the Southern California Current
System, Ocean Dynam., 68, 761–777, 2018.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx15"><?xmltex \def\ref@label{{Colas et~al.(2013)}}?><label>Colas et al.(2013)</label><?label Colas2013?><mixed-citation>
Colas, F., Capet, X., Mcwilliams, J. C., and Li, Z.: Mesoscale Eddy Buoyancy
Flux and Eddy-Induced Circulation in Eastern Boundary Currents, J. Phys.
Oc., 43, 1073–1095, 2013.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx16"><?xmltex \def\ref@label{{Connolly et~al.(2014)}}?><label>Connolly et al.(2014)</label><?label Connolly2014?><mixed-citation>
Connolly, T. P., Hickey, B. M., Shulman, I., and Thomson, R. E.: Coastal
Trapped Waves, Alongshore Pressure Gradients, and the California
Undercurrent, J. Phys. Oceanogr., 44, 319–342, 2014.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx17"><?xmltex \def\ref@label{{Dauhajre and McWilliams(2018)}}?><label>Dauhajre and McWilliams(2018)</label><?label Dauhajre2018?><mixed-citation>
Dauhajre, D. P. and McWilliams, J. C.: Diurnal Evolution of Submesoscale Front
and Filament Circulations, J. Phys. Oceanogr., 48, 2343–2361,
2018.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx18"><?xmltex \def\ref@label{{Durran(2010)}}?><label>Durran(2010)</label><?label Durran2010?><mixed-citation>
Durran, D.: Numerical Methods for Fluid Dynamics: With Applications to
Geophysics, Texts in Applied Mathematics, Springer, New York, 2010.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx19"><?xmltex \def\ref@label{{Durran(1991)}}?><label>Durran(1991)</label><?label Durran91?><mixed-citation>
Durran, D. R.: The third-order Adams-Bashforth method: An attractive
alternative to leapfrog time differencing, Mon. Weather Rev., 119, 702–720,
1991.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx20"><?xmltex \def\ref@label{{Eady(1949)}}?><label>Eady(1949)</label><?label Eady1949?><mixed-citation>
Eady, E. T.: Long waves and cyclone waves, Tellus, 1, 33–52, 1949.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx21"><?xmltex \def\ref@label{{Edwards and Bees(2001)}}?><label>Edwards and Bees(2001)</label><?label Edwards2001?><mixed-citation>
Edwards, A. M. and Bees, M. A.: Generic dynamics of a simple plankton
population model with a non-integer exponent of closure, Chaos, Solitons &amp;
Fractals, 12, 289–300, 2001.</mixed-citation></ref>
      <?pagebreak page793?><ref id="bib1.bibx22"><?xmltex \def\ref@label{{Edwards et~al.(1998)}}?><label>Edwards et al.(1998)</label><?label EdwardsWillmott98?><mixed-citation>
Edwards, N. R., Willmott, A. J., and Killworth, P. D.: On the role of
topography and wind stress on the stability of the thermohaline circulation,
J. Phys. Oceanogr., 28, 756–778, 1998.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx23"><?xmltex \def\ref@label{{Eto(1988)}}?><label>Eto(1988)</label><?label Etopo5?><mixed-citation>
Eto: Data Announcement 88-MGG-02, Digital relief of the Surface of the Earth, 1988.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx24"><?xmltex \def\ref@label{{Ferrari et~al.(2008)}}?><label>Ferrari et al.(2008)</label><?label FerrariMcWilliams08?><mixed-citation>
Ferrari, R., McWilliams, J. C., Canuto, V. M., and Dubovikov, M.:
Parameterization of eddy fluxes near oceanic boundaries, J. Climate, 21,
2770–2789, 2008.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx25"><?xmltex \def\ref@label{{Fiechter et~al.(2018)}}?><label>Fiechter et al.(2018)</label><?label fiechter2018wind?><mixed-citation>
Fiechter, J., Edwards, C. A., and Moore, A. M.: Wind, circulation, and
topographic effects on alongshore phytoplankton variability in the California
Current, Geophys. Res. Lett., 45, 3238–3245, 2018.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx26"><?xmltex \def\ref@label{{Furuya(1990)}}?><label>Furuya(1990)</label><?label Furuya1990?><mixed-citation>
Furuya, K.: Subsurface chlorophyll maximum in the tropical and subtropical
western Pacific Ocean: Vertical profiles of phytoplankton biomass and its
relationship with chlorophylla and particulate organic carbon, Marine
Biol., 107, 529–539, 1990.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx27"><?xmltex \def\ref@label{{Gent(2011)}}?><label>Gent(2011)</label><?label Gent11?><mixed-citation>
Gent, P. R.: The Gent–McWilliams parameterization: 20/20 hindsight, Ocean
Modell., 39, 2–9, 2011.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx28"><?xmltex \def\ref@label{{Gent and McWilliams(1990)}}?><label>Gent and McWilliams(1990)</label><?label GentMcWilliams90?><mixed-citation>
Gent, P. R. and McWilliams, J. C.: Isopycnal mixing in ocean circulation
models, J. Phys. Oceanogr., 20, 150–155, 1990.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx29"><?xmltex \def\ref@label{{Griffies(2018)}}?><label>Griffies(2018)</label><?label Griffies18?><mixed-citation>
Griffies, S.: Fundamentals of ocean climate models, Princeton University Press,
2018.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx30"><?xmltex \def\ref@label{{Griffies(1998)}}?><label>Griffies(1998)</label><?label Griffies98?><mixed-citation>
Griffies, S. M.: The Gent–McWilliams skew flux, J. Phys. Oceanogr., 28,
831–841, 1998.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx31"><?xmltex \def\ref@label{{Gruber et~al.(2011)}}?><label>Gruber et al.(2011)</label><?label Gruber2011?><mixed-citation>
Gruber, N., Lachkar, Z., Frenzel, H., Marchesiello, P., Münnich, M., McWilliams, J. C., Nagai, T., and Plattner, G.-K.: Eddy-induced reduction of biological production in eastern
boundary upwelling systems, Nat. Geosci., 4, 787–792, 2011.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx32"><?xmltex \def\ref@label{{Gula et~al.(2014)}}?><label>Gula et al.(2014)</label><?label Gula2014?><mixed-citation>
Gula, J., Molemaker, M. J., and McWilliams, J. C.: Submesoscale cold
filaments in the Gulf Stream, J. Phys. Oceanogr., 44,
2617–2643, 2014.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx33"><?xmltex \def\ref@label{{Haney(1971)}}?><label>Haney(1971)</label><?label Haney71?><mixed-citation>
Haney, R. L.: Surface thermal boundary condition for ocean circulation models,
J. Phys. Oceanogr., 1, 241–248, 1971.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx34"><?xmltex \def\ref@label{{Haney(1991)}}?><label>Haney(1991)</label><?label Haney1991?><mixed-citation>
Haney, R. L.: On the Pressure Gradient Force over Steep Topography in Sigma
Coordinate Ocean Models, J. Phys. Oceanogr., 21, 610–619,
1991.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx35"><?xmltex \def\ref@label{{Hansen et~al.(1994)}}?><label>Hansen et al.(1994)</label><?label Hansen1994?><mixed-citation>
Hansen, B., Bjornsen, P., and Hansen, P.: The size ratio between planktonic
predators and their prey, Limnol. Oceanogr., 39, 395–403, 1994.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx36"><?xmltex \def\ref@label{{Jacox and Edwards(2011)}}?><label>Jacox and Edwards(2011)</label><?label JacoxEdwards2011?><mixed-citation>
Jacox, M. and Edwards, C.: Effects of stratification and shelf slope on
nutrient supply in coastal upwelling regions, J. Geophys. Res.-Oceans, 116, C3, 2011.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx37"><?xmltex \def\ref@label{{Jacox and Edwards(2012)}}?><label>Jacox and Edwards(2012)</label><?label Jacox2012?><mixed-citation>
Jacox, M. and Edwards, C.: Upwelling source depth in the presence of nearshore
wind stress curl, J. Phys. Resc., 117, C5, 2012.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx38"><?xmltex \def\ref@label{{Jacox et~al.(2014)}}?><label>Jacox et al.(2014)</label><?label Jacox2014?><mixed-citation>
Jacox, M. G., Moore, A. M., Edwards, C. A., and Fiechter, J.: Spatially
resolved upwelling in the California Current System and its connections to
climate variability, Geophys. Res. Lett., 41, 3189–3196, 2014.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx39"><?xmltex \def\ref@label{{Kahan(1965)}}?><label>Kahan(1965)</label><?label kahan1965pracniques?><mixed-citation>
Kahan, W.: Pracniques: further remarks on reducing truncation errors,
Communications of the ACM, 8, 40, 1965.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx40"><?xmltex \def\ref@label{{Kays(1994)}}?><label>Kays(1994)</label><?label Kays94?><mixed-citation>
Kays, W. M.: Turbulent Prandtl number. Where are we?, ASME Transactions
J. Heat Transf., 116, 284–295, 1994.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx41"><?xmltex \def\ref@label{{Kurganov and Tadmor(2000)}}?><label>Kurganov and Tadmor(2000)</label><?label KurganovTadmor00?><mixed-citation>
Kurganov, A. and Tadmor, E.: New high-resolution central schemes for nonlinear
conservation laws and convection-diffusion equations, J. Comput. Phys., 160,
241–282, 2000.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx42"><?xmltex \def\ref@label{{Lamb(2014)}}?><label>Lamb(2014)</label><?label Lamb2014?><mixed-citation>
Lamb, K. G.: Internal Wave Breaking and Dissipation Mechanisms on the
Continental Slope/Shelf, Annu. Rev. Fluid Mech., 46, 231–254,
2014.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx43"><?xmltex \def\ref@label{{Large et~al.(1994)}}?><label>Large et al.(1994)</label><?label Large1994?><mixed-citation>
Large, W. G., McWilliams, J. C., and Doney, S. C.: Oceanic vertical mixing: A
review and a model with a nonlocal boundary layer parameterization, Rev. Geophys., 32, 363–403, 1994.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx44"><?xmltex \def\ref@label{{Lentz and Chapman(2004)}}?><label>Lentz and Chapman(2004)</label><?label LentzChapman2004?><mixed-citation>
Lentz, S. J. and Chapman, D. C.: The importance of nonlinear cross-shelf
momentum flux during wind-driven coastal upwelling, J. Phys. Oceanogr., 34, 2444–2457, 2004.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx45"><?xmltex \def\ref@label{{Lentz and Fewings(2012)}}?><label>Lentz and Fewings(2012)</label><?label Lentzfewings2012?><mixed-citation>
Lentz, S. J. and Fewings, M. R.: The wind-and wave-driven inner-shelf
circulation, Annu. Rev. Marine Sci., 4, 317–343, 2012.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx46"><?xmltex \def\ref@label{{MATLAB(2016)}}?><label>MATLAB(2016)</label><?label MATLAB:2016?><mixed-citation>
MATLAB: version 9.1.0 (R2016b), The MathWorks Inc., Natick, Massachusetts,
2016.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx47"><?xmltex \def\ref@label{{McClatchie(2016)}}?><label>McClatchie(2016)</label><?label CalCOFI?><mixed-citation>
McClatchie, S.: Regional fisheries oceanography of the California Current
System, Springer, 2016.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx48"><?xmltex \def\ref@label{{McDougall and Ferrari(2017)}}?><label>McDougall and Ferrari(2017)</label><?label McDougall2017?><mixed-citation>
McDougall, T. J. and Ferrari, R.: Abyssal upwelling and downwelling driven by
near-boundary mixing, J. Phys. Oceanogr., 47, 261–283, 2017.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx49"><?xmltex \def\ref@label{{Mellor et~al.(1994)}}?><label>Mellor et al.(1994)</label><?label Mellor1994?><mixed-citation>
Mellor, G. L., Ezer, T., and Oey, L.-Y.: The Pressure Gradient Conundrum of
Sigma Coordinate Ocean Models, J. Atmos. Ocean. Tech.,
11, 1126–1134, 1994.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx50"><?xmltex \def\ref@label{{Mellor et~al.(1998)}}?><label>Mellor et al.(1998)</label><?label Mellor1998?><mixed-citation>
Mellor, G. L., Oey, L.-Y., and Ezer, T.: Sigma Coordinate Pressure Gradient
Errors and the Seamount Problem, J. Atmos. Ocean.
Tech., 15, 1122–1131, 1998.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx51"><?xmltex \def\ref@label{{Moore et~al.(2001)}}?><label>Moore et al.(2001)</label><?label MooreBEC01?><mixed-citation>
Moore, J., Doney, S. C., Kleypas, J. A., Glover, D. M., and Fung, I. Y.: An
intermediate complexity marine ecosystem model for the global domain, Deep-Sea Res., 49, 403–462, 2001.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx52"><?xmltex \def\ref@label{{Plumb(1979)}}?><label>Plumb(1979)</label><?label Plumb79?><mixed-citation>
Plumb, R. A.: Eddy fluxes of conserved quantities by small-amplitude waves, J.
Atmos. Sci., 36, 1699–1704, 1979.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx53"><?xmltex \def\ref@label{{Plumb and Ferrari(2005{\natexlab{a}})}}?><label>Plumb and Ferrari(2005a)</label><?label Plumb2005?><mixed-citation>
Plumb, R. A. and Ferrari, R.: Transformed Eulerian-Mean Theory. Part I:
Nonquasigeostrophic Theory for Eddies on a Zonal-Mean Flow, J. Phys. Oceanogr., 35, 165–174, 2005a.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx54"><?xmltex \def\ref@label{{Plumb and Ferrari(2005{\natexlab{b}})}}?><label>Plumb and Ferrari(2005b)</label><?label PlumbFerrari05?><mixed-citation>
Plumb, R. A. and Ferrari, R.: Transformed Eulerian-mean theory. Part I:
Nonquasigeostrophic theory for eddies on a zonal-mean flow, J. Phys.
Oceanogr., 35, 165–174, 2005b.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx55"><?xmltex \def\ref@label{{Poulin and Franks(2010)}}?><label>Poulin and Franks(2010)</label><?label PoulinFranks10?><mixed-citation>
Poulin, F. J. and Franks, P. J. S.: Size-Structured planktonic ecosystems:
constraints, controls, and assembly instructions, J. Plankton
Res., 32, 1121–1130, 2010.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx56"><?xmltex \def\ref@label{{Raick et~al.(2006)}}?><label>Raick et al.(2006)</label><?label raick2006?><mixed-citation>
Raick, C., Soetaert, K., and Gregoire, M.: Model complexity and performance:
How far can we simplify?, Prog. Oceanogr., 70, 27–57, 2006.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx57"><?xmltex \def\ref@label{{Redi(1982)}}?><label>Redi(1982)</label><?label Redi82?><mixed-citation>
Redi, M. H.: Oceanic isopycnal mixing by coordinate rotation, J. Phys.
Oceanogr., 12, 1154–1158, 1982.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx58"><?xmltex \def\ref@label{{Renault et~al.(2016)}}?><label>Renault et al.(2016)</label><?label Renault16?><mixed-citation>
Renault, L., Deutsch, C., McWilliams, J., Frenzel, H., Liang, J., and Colas,
F.: Partial decoupling of primary productivity from upwelling in the
California Current system, Nat. Geo. Sci., 9, 505–510, 2016.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx59"><?xmltex \def\ref@label{{Rykaczewski and Dunne(2010)}}?><label>Rykaczewski and Dunne(2010)</label><?label Rykaczewski2010?><mixed-citation>
Rykaczewski, R. R. and Dunne, J. P.: Enhanced nutrient supply to the
California Current Ecosystem with global warming and increased stratification
in an earth system model, Geophys. Res. Lett., 37, 21, 2010.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx60"><?xmltex \def\ref@label{{Sarmiento and Gruber(2006)}}?><label>Sarmiento and Gruber(2006)</label><?label SarmientoGruber2006?><mixed-citation>
Sarmiento, J. L. and Gruber, N.: Ocean Biogeochemical Dynamics, Princeton
University Press, 2006.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx61"><?xmltex \def\ref@label{{Sarmiento et~al.(1998)}}?><label>Sarmiento et al.(1998)</label><?label Sarmiento1998?><mixed-citation>
Sarmiento, J. L., Hughes, T. M. C., Stouffer, R. J., and Manabe, S.: Simulated
response of the ocean carbon cycle to anthropogenic climate warming, Lett. Nature, 393, 245–249, 1998.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx62"><?xmltex \def\ref@label{{Shchepetkin and McWilliams(2003)}}?><label>Shchepetkin and McWilliams(2003)</label><?label Shchepetkin03?><mixed-citation>
Shchepetkin, A. F. and McWilliams, J. C.: A method for computing horizontal
pressure-gradient force in an oceanic model with a nonaligned vertical
coordinate, J. Geophys. Res.-Oceans, 108, C3, 2003.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx63"><?xmltex \def\ref@label{{Shchepetkin and McWilliams(2005)}}?><label>Shchepetkin and McWilliams(2005)</label><?label ROMS2005?><mixed-citation>
Shchepetkin, A. F. and McWilliams, J. C.: The Regional Ocean M<?pagebreak page794?>odeling System:
A split-explicit, free-surface, topography following coordinates ocean
model, Ocean Modell., 9, 347–404, 2005.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx64"><?xmltex \def\ref@label{{Smith and Marshall(2009)}}?><label>Smith and Marshall(2009)</label><?label Smith2009?><mixed-citation>
Smith, K. S. and Marshall, J.: Evidence for Enhanced Eddy Mixing at Middepth in
the Southern Ocean, J. Phys. Oceanogr., 39, 50–69, 2009.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx65"><?xmltex \def\ref@label{{Song and Haidvogel(1994)}}?><label>Song and Haidvogel(1994)</label><?label SongHaidvogel94?><mixed-citation>
Song, Y. and Haidvogel, D.: A semi-implicit ocean circulation model using a
generalized topography-following coordinate system, J. Comput. Phys., 115,
228–244, 1994.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx66"><?xmltex \def\ref@label{Stewart and Moscoso(2020)}?><label>Stewart and Moscoso(2020)</label><?label StewartMoscoso2020?><mixed-citation>Stewart, A. L. and Moscoso, J. E.: A Meridionally Averaged Model of Eastern Boundary Upwelling Systems (v1.0) (Version v1.0), Zenodo, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5281/zenodo.3866652" ext-link-type="DOI">10.5281/zenodo.3866652</ext-link>, 2020.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx67"><?xmltex \def\ref@label{{St.~Laurent et~al.(2002)}}?><label>St. Laurent et al.(2002)</label><?label StLaurent2002?><mixed-citation>
St. Laurent, L., Simmons, H., and Jayne, S.: Estimating tidally driven mixing
in the deep ocean, Geophys. Res. Lett., 29, 21–1, 2002.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx68"><?xmltex \def\ref@label{{Tang(1995)}}?><label>Tang(1995)</label><?label Tang1995?><mixed-citation>
Tang, E.: The allometry of algal growth rates, Journal of Plankton Research,
17, 1325–1335, 1995.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx69"><?xmltex \def\ref@label{Towns et al.(2014)}?><label>Towns et al.(2014)</label><?label towns2014xsede?><mixed-citation>
Towns, J., Cockerill, T., Dahan, M., Foster, I., Gaither, K., Grimshaw, A., Hazlewood, V., Lathrop, S., Lifka, D., Peterson, G. D., Roskies, R., Scott, J. R., and Wilkins-Diehr, N.: XSEDE: accelerating scientific discovery, Comput. Sci. Eng., 16, 62–74, 2014.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx70"><?xmltex \def\ref@label{{Tr{\'{e}}guier et~al.(1997)}}?><label>Tréguier et al.(1997)</label><?label TreguierHeld97?><mixed-citation>
Tréguier, A.-M., Held, I. M., and Larichev, V. D.: Parameterization of
quasigeostrophic eddies in primitive equation ocean models, J. Phys.
Oceanogr., 27, 567–580, 1997.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx71"><?xmltex \def\ref@label{{Troen and Mahrt(1986)}}?><label>Troen and Mahrt(1986)</label><?label Troen1986?><mixed-citation>Troen, I. B. and Mahrt, L.: A simple model of the atmospheric boundary layer;
sensitivity to surface evaporation, Bound.-Lay. Meteorol., 37, 129–148,
1986.
 </mixed-citation></ref><?xmltex \hack{\newpage}?>
      <ref id="bib1.bibx72"><?xmltex \def\ref@label{{Vallis(2017)}}?><label>Vallis(2017)</label><?label Vallis17?><mixed-citation>
Vallis, G. K.: Atmospheric and oceanic fluid dynamics, Cambridge University
Press, 2017.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx73"><?xmltex \def\ref@label{{Van~Oostende et~al.(2018)}}?><label>Van Oostende et al.(2018)</label><?label van2018simulating?><mixed-citation>
Van Oostende, N., Dussin, R., Stock, C., Barton, A., Curchitser, E., Dunne, J.,
and Ward, B.: Simulating the ocean's chlorophyll dynamic range from coastal
upwelling to oligotrophy, Prog. Oceanogr., 168, 232–247, 2018.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx74"><?xmltex \def\ref@label{{Venegas et~al.(2008)}}?><label>Venegas et al.(2008)</label><?label Venegas2008?><mixed-citation>
Venegas, R. M., Strub, P. T., Beier, E., Letelier, R., Thomas, A. C., Cowles,
T., James, C., Soto-Mardones, L., and Cabrera, C.: Satellite-derived
variability in chlorophyll, wind stress, sea surface height, and temperature
in the northern California Current System, J. Geophys. Res.-Oceans, 113, C3, 2008.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx75"><?xmltex \def\ref@label{{Wang and Stewart(2018)}}?><label>Wang and Stewart(2018)</label><?label Wang2018?><mixed-citation>
Wang, Y. and Stewart, A. L.: Eddy dynamics over continental slopes under
retrograde winds: Insights from a model inter-comparison, Ocean Modell.,
121, 1–18, 2018.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx76"><?xmltex \def\ref@label{{Wang and Stewart(2020)}}?><label>Wang and Stewart(2020)</label><?label Wang2020?><mixed-citation>Wang, Y. and Stewart, A. L.: Scalings for eddy buoyancy transfer across
continental slopes under retrograde winds, Ocean Modell., 147, 101579, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1016/j.ocemod.2020.101579" ext-link-type="DOI">10.1016/j.ocemod.2020.101579</ext-link>,
2020.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx77"><?xmltex \def\ref@label{{Ward et~al.(2012)}}?><label>Ward et al.(2012)</label><?label Ward2012?><mixed-citation>
Ward, B. A., Dutkiewicz, S., Jahn, O., and Follows, M. J.: A size-structured
food-web model for the global ocean, Limnol. Oceanogr., 57, 1877–1891,
2012.</mixed-citation></ref>

  </ref-list></back>
    <!--<article-title-html>The Meridionally Averaged Model of Eastern Boundary Upwelling Systems (MAMEBUSv1.0)</article-title-html>
<abstract-html><p>Eastern boundary upwelling systems (EBUSs) are physically and biologically active regions of the ocean with substantial impacts on ocean biogeochemistry, ecology, and global fish catch. Previous studies have used models of varying complexity to study EBUS dynamics, ranging from minimal two-dimensional (2-D) models to comprehensive regional and global models. An advantage of 2-D models is that they are more computationally efficient and easier to interpret than comprehensive regional models, but their key drawback is the lack of explicit representations of important three-dimensional processes that control biology in upwelling systems. These processes include eddy quenching of nutrients and meridional transport of nutrients and heat. The authors present the Meridionally Averaged Model of Eastern Boundary Upwelling Systems (MAMEBUS) that aims at combining the benefits of 2-D and 3-D approaches to modeling EBUSs by parameterizing the key 3-D processes in a 2-D framework. MAMEBUS couples the primitive equations for the physical state of the ocean with a nutrient–phytoplankton–zooplankton–detritus model of the ecosystem, solved in terrain-following coordinates. This article defines the equations that describe the tracer, momentum, and biological evolution, along with physical parameterizations of eddy advection, isopycnal mixing, and boundary layer mixing. It describes the details of the numerical schemes and their implementation in the model code, and provides a reference solution validated against observations from the California Current. The goal of MAMEBUS is to facilitate future studies to efficiently explore the wide space of physical and biogeochemical parameters that control the zonal variations in EBUSs.</p></abstract-html>
<ref-html id="bib1.bib1"><label>Abernathey and Marshall(2013)</label><mixed-citation>
Abernathey, R. P. and Marshall, J.: Global surface eddy diffusivities derived
from satellite altimetry, J. Geophys. Res.-Oceans, 118,
901–916, 2013.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib2"><label>Aiki and Richards(2008)</label><mixed-citation>
Aiki, H. and Richards, K. J.: Energetics of the global ocean: the role of
layer-thickness form drag, J. Phys. Oceanogr., 38, 1845–1869, 2008.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib3"><label>Andersen et al.(2016)</label><mixed-citation>
Andersen, K., Berge, T., Gonçalves, R., Hartvig, M., Heuschele, J.,
Hylander, S., Jacobsen, N., Lindemann, C., Martens, E., Neuheimer, A.,
Olsson, K., Palacz, A., Prowe, A., Sainmont, J., Traving, S., Visser, A.,
Wadhwa, N., and Kiørboe, T.: Characteristic Sizes of Life in the Oceans,
from Bacteria to Whales, Annu. Rev. Marine Sci., 8, 217–241, 2016.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib4"><label>Arakawa and Suarez(1983)</label><mixed-citation>
Arakawa, A. and Suarez, M. J.: Vertical Differencing of the Primitive Equations
in Sigma Coordinates, Mon. Weather Rev., 111, 34–45, 1983.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib5"><label>Bakun and Nelson(1991)</label><mixed-citation>
Bakun, A. and Nelson, C. S.: The Seasonal Cycle of Wind-Stress Curl in
Subtropical Eastern Boundary Current Regions, J. Phys. Oceanogr., 21, 1815–1834,
1991.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib6"><label>Bakun and Parrish(1982)</label><mixed-citation>
Bakun, A. and Parrish, R. H.: Turbulence, Transport, and Pelagic Fish in the
California and Peru Current Systems, CalCOFI Rep., 23, 1982.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib7"><label>Banas(2011)</label><mixed-citation>
Banas, N. S.: Adding complex trophic interactions to a size-spectral plankton
model: Emergent diversity patterns and limits on predictability, Ecol.
Modeling, 222, 2663–2675, 2011.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib8"><label>Burke et al.(2015)</label><mixed-citation>
Burke, A., Stewart, A. L., Adkins, J. F., Ferrari, R., Jansen, M. F., and
Thompson, A. F.: The glacial mid-depth radiocarbon bulge and its implications
for the overturning circulation, Paleoceanography, 30, 1021–1039, 2015.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib9"><label>Cabre et al.(2013)</label><mixed-citation>
Cabre, A., Shields, D., Marinov, I., and Kostadinov, T. S.: Phenology of
Size-Partitioned Phytoplankton Carbon-Biomass from Ocean Color Remote Sensing
and CMIP5 Models, Front. Mar. Sci., 3, 39, 2013.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib10"><label>Capet et al.(2008)</label><mixed-citation>
Capet, X., Colas, F., McWilliams, J., Penven, P., and Marchesiello, P.: Eddies
in eastern boundary subtropical upwelling systems, Ocean Modeling in an
Eddying Regime, Geophys. Monogr. Ser, 177, 131–147, 2008.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib11"><label>Castelao and Luo(2018)</label><mixed-citation>
Castelao, R. M. and Luo, H.: Upwelling jet separation in the California Current
System, Sci. Rep.-UK, 8, 1–8, 2018.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib12"><label>Chavez and Messié(2009)</label><mixed-citation>
Chavez, F. P. and Messié, M.: A comparison of Eastern Boundary Upwelling
Ecosystems, Prog. in Oceanog., 83, 80–96, 2009.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib13"><label>Chelton et al.(1998)</label><mixed-citation>
Chelton, D. B., DeSzoeke, R. A., Schlax, M. G., El Naggar, K., and Siwertz, N.:
Geographical variability of the first baroclinic Rossby radius of
deformation, J. Phys. Oceanogr., 28, 433–460, 1998.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib14"><label>Chenillat et al.(2018)</label><mixed-citation>
Chenillat, F., Franks, P. J. S., Capet, X., Rivière, P., Grima, N., Blanke,
B., and Combes, V.: Eddy properties in the Southern California Current
System, Ocean Dynam., 68, 761–777, 2018.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib15"><label>Colas et al.(2013)</label><mixed-citation>
Colas, F., Capet, X., Mcwilliams, J. C., and Li, Z.: Mesoscale Eddy Buoyancy
Flux and Eddy-Induced Circulation in Eastern Boundary Currents, J. Phys.
Oc., 43, 1073–1095, 2013.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib16"><label>Connolly et al.(2014)</label><mixed-citation>
Connolly, T. P., Hickey, B. M., Shulman, I., and Thomson, R. E.: Coastal
Trapped Waves, Alongshore Pressure Gradients, and the California
Undercurrent, J. Phys. Oceanogr., 44, 319–342, 2014.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib17"><label>Dauhajre and McWilliams(2018)</label><mixed-citation>
Dauhajre, D. P. and McWilliams, J. C.: Diurnal Evolution of Submesoscale Front
and Filament Circulations, J. Phys. Oceanogr., 48, 2343–2361,
2018.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib18"><label>Durran(2010)</label><mixed-citation>
Durran, D.: Numerical Methods for Fluid Dynamics: With Applications to
Geophysics, Texts in Applied Mathematics, Springer, New York, 2010.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib19"><label>Durran(1991)</label><mixed-citation>
Durran, D. R.: The third-order Adams-Bashforth method: An attractive
alternative to leapfrog time differencing, Mon. Weather Rev., 119, 702–720,
1991.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib20"><label>Eady(1949)</label><mixed-citation>
Eady, E. T.: Long waves and cyclone waves, Tellus, 1, 33–52, 1949.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib21"><label>Edwards and Bees(2001)</label><mixed-citation>
Edwards, A. M. and Bees, M. A.: Generic dynamics of a simple plankton
population model with a non-integer exponent of closure, Chaos, Solitons &amp;
Fractals, 12, 289–300, 2001.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib22"><label>Edwards et al.(1998)</label><mixed-citation>
Edwards, N. R., Willmott, A. J., and Killworth, P. D.: On the role of
topography and wind stress on the stability of the thermohaline circulation,
J. Phys. Oceanogr., 28, 756–778, 1998.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib23"><label>Eto(1988)</label><mixed-citation>
Eto: Data Announcement 88-MGG-02, Digital relief of the Surface of the Earth, 1988.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib24"><label>Ferrari et al.(2008)</label><mixed-citation>
Ferrari, R., McWilliams, J. C., Canuto, V. M., and Dubovikov, M.:
Parameterization of eddy fluxes near oceanic boundaries, J. Climate, 21,
2770–2789, 2008.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib25"><label>Fiechter et al.(2018)</label><mixed-citation>
Fiechter, J., Edwards, C. A., and Moore, A. M.: Wind, circulation, and
topographic effects on alongshore phytoplankton variability in the California
Current, Geophys. Res. Lett., 45, 3238–3245, 2018.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib26"><label>Furuya(1990)</label><mixed-citation>
Furuya, K.: Subsurface chlorophyll maximum in the tropical and subtropical
western Pacific Ocean: Vertical profiles of phytoplankton biomass and its
relationship with chlorophylla and particulate organic carbon, Marine
Biol., 107, 529–539, 1990.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib27"><label>Gent(2011)</label><mixed-citation>
Gent, P. R.: The Gent–McWilliams parameterization: 20/20 hindsight, Ocean
Modell., 39, 2–9, 2011.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib28"><label>Gent and McWilliams(1990)</label><mixed-citation>
Gent, P. R. and McWilliams, J. C.: Isopycnal mixing in ocean circulation
models, J. Phys. Oceanogr., 20, 150–155, 1990.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib29"><label>Griffies(2018)</label><mixed-citation>
Griffies, S.: Fundamentals of ocean climate models, Princeton University Press,
2018.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib30"><label>Griffies(1998)</label><mixed-citation>
Griffies, S. M.: The Gent–McWilliams skew flux, J. Phys. Oceanogr., 28,
831–841, 1998.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib31"><label>Gruber et al.(2011)</label><mixed-citation>
Gruber, N., Lachkar, Z., Frenzel, H., Marchesiello, P., Münnich, M., McWilliams, J. C., Nagai, T., and Plattner, G.-K.: Eddy-induced reduction of biological production in eastern
boundary upwelling systems, Nat. Geosci., 4, 787–792, 2011.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib32"><label>Gula et al.(2014)</label><mixed-citation>
Gula, J., Molemaker, M. J., and McWilliams, J. C.: Submesoscale cold
filaments in the Gulf Stream, J. Phys. Oceanogr., 44,
2617–2643, 2014.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib33"><label>Haney(1971)</label><mixed-citation>
Haney, R. L.: Surface thermal boundary condition for ocean circulation models,
J. Phys. Oceanogr., 1, 241–248, 1971.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib34"><label>Haney(1991)</label><mixed-citation>
Haney, R. L.: On the Pressure Gradient Force over Steep Topography in Sigma
Coordinate Ocean Models, J. Phys. Oceanogr., 21, 610–619,
1991.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib35"><label>Hansen et al.(1994)</label><mixed-citation>
Hansen, B., Bjornsen, P., and Hansen, P.: The size ratio between planktonic
predators and their prey, Limnol. Oceanogr., 39, 395–403, 1994.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib36"><label>Jacox and Edwards(2011)</label><mixed-citation>
Jacox, M. and Edwards, C.: Effects of stratification and shelf slope on
nutrient supply in coastal upwelling regions, J. Geophys. Res.-Oceans, 116, C3, 2011.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib37"><label>Jacox and Edwards(2012)</label><mixed-citation>
Jacox, M. and Edwards, C.: Upwelling source depth in the presence of nearshore
wind stress curl, J. Phys. Resc., 117, C5, 2012.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib38"><label>Jacox et al.(2014)</label><mixed-citation>
Jacox, M. G., Moore, A. M., Edwards, C. A., and Fiechter, J.: Spatially
resolved upwelling in the California Current System and its connections to
climate variability, Geophys. Res. Lett., 41, 3189–3196, 2014.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib39"><label>Kahan(1965)</label><mixed-citation>
Kahan, W.: Pracniques: further remarks on reducing truncation errors,
Communications of the ACM, 8, 40, 1965.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib40"><label>Kays(1994)</label><mixed-citation>
Kays, W. M.: Turbulent Prandtl number. Where are we?, ASME Transactions
J. Heat Transf., 116, 284–295, 1994.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib41"><label>Kurganov and Tadmor(2000)</label><mixed-citation>
Kurganov, A. and Tadmor, E.: New high-resolution central schemes for nonlinear
conservation laws and convection-diffusion equations, J. Comput. Phys., 160,
241–282, 2000.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib42"><label>Lamb(2014)</label><mixed-citation>
Lamb, K. G.: Internal Wave Breaking and Dissipation Mechanisms on the
Continental Slope/Shelf, Annu. Rev. Fluid Mech., 46, 231–254,
2014.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib43"><label>Large et al.(1994)</label><mixed-citation>
Large, W. G., McWilliams, J. C., and Doney, S. C.: Oceanic vertical mixing: A
review and a model with a nonlocal boundary layer parameterization, Rev. Geophys., 32, 363–403, 1994.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib44"><label>Lentz and Chapman(2004)</label><mixed-citation>
Lentz, S. J. and Chapman, D. C.: The importance of nonlinear cross-shelf
momentum flux during wind-driven coastal upwelling, J. Phys. Oceanogr., 34, 2444–2457, 2004.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib45"><label>Lentz and Fewings(2012)</label><mixed-citation>
Lentz, S. J. and Fewings, M. R.: The wind-and wave-driven inner-shelf
circulation, Annu. Rev. Marine Sci., 4, 317–343, 2012.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib46"><label>MATLAB(2016)</label><mixed-citation>
MATLAB: version 9.1.0 (R2016b), The MathWorks Inc., Natick, Massachusetts,
2016.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib47"><label>McClatchie(2016)</label><mixed-citation>
McClatchie, S.: Regional fisheries oceanography of the California Current
System, Springer, 2016.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib48"><label>McDougall and Ferrari(2017)</label><mixed-citation>
McDougall, T. J. and Ferrari, R.: Abyssal upwelling and downwelling driven by
near-boundary mixing, J. Phys. Oceanogr., 47, 261–283, 2017.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib49"><label>Mellor et al.(1994)</label><mixed-citation>
Mellor, G. L., Ezer, T., and Oey, L.-Y.: The Pressure Gradient Conundrum of
Sigma Coordinate Ocean Models, J. Atmos. Ocean. Tech.,
11, 1126–1134, 1994.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib50"><label>Mellor et al.(1998)</label><mixed-citation>
Mellor, G. L., Oey, L.-Y., and Ezer, T.: Sigma Coordinate Pressure Gradient
Errors and the Seamount Problem, J. Atmos. Ocean.
Tech., 15, 1122–1131, 1998.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib51"><label>Moore et al.(2001)</label><mixed-citation>
Moore, J., Doney, S. C., Kleypas, J. A., Glover, D. M., and Fung, I. Y.: An
intermediate complexity marine ecosystem model for the global domain, Deep-Sea Res., 49, 403–462, 2001.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib52"><label>Plumb(1979)</label><mixed-citation>
Plumb, R. A.: Eddy fluxes of conserved quantities by small-amplitude waves, J.
Atmos. Sci., 36, 1699–1704, 1979.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib53"><label>Plumb and Ferrari(2005a)</label><mixed-citation>
Plumb, R. A. and Ferrari, R.: Transformed Eulerian-Mean Theory. Part I:
Nonquasigeostrophic Theory for Eddies on a Zonal-Mean Flow, J. Phys. Oceanogr., 35, 165–174, 2005a.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib54"><label>Plumb and Ferrari(2005b)</label><mixed-citation>
Plumb, R. A. and Ferrari, R.: Transformed Eulerian-mean theory. Part I:
Nonquasigeostrophic theory for eddies on a zonal-mean flow, J. Phys.
Oceanogr., 35, 165–174, 2005b.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib55"><label>Poulin and Franks(2010)</label><mixed-citation>
Poulin, F. J. and Franks, P. J. S.: Size-Structured planktonic ecosystems:
constraints, controls, and assembly instructions, J. Plankton
Res., 32, 1121–1130, 2010.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib56"><label>Raick et al.(2006)</label><mixed-citation>
Raick, C., Soetaert, K., and Gregoire, M.: Model complexity and performance:
How far can we simplify?, Prog. Oceanogr., 70, 27–57, 2006.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib57"><label>Redi(1982)</label><mixed-citation>
Redi, M. H.: Oceanic isopycnal mixing by coordinate rotation, J. Phys.
Oceanogr., 12, 1154–1158, 1982.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib58"><label>Renault et al.(2016)</label><mixed-citation>
Renault, L., Deutsch, C., McWilliams, J., Frenzel, H., Liang, J., and Colas,
F.: Partial decoupling of primary productivity from upwelling in the
California Current system, Nat. Geo. Sci., 9, 505–510, 2016.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib59"><label>Rykaczewski and Dunne(2010)</label><mixed-citation>
Rykaczewski, R. R. and Dunne, J. P.: Enhanced nutrient supply to the
California Current Ecosystem with global warming and increased stratification
in an earth system model, Geophys. Res. Lett., 37, 21, 2010.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib60"><label>Sarmiento and Gruber(2006)</label><mixed-citation>
Sarmiento, J. L. and Gruber, N.: Ocean Biogeochemical Dynamics, Princeton
University Press, 2006.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib61"><label>Sarmiento et al.(1998)</label><mixed-citation>
Sarmiento, J. L., Hughes, T. M. C., Stouffer, R. J., and Manabe, S.: Simulated
response of the ocean carbon cycle to anthropogenic climate warming, Lett. Nature, 393, 245–249, 1998.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib62"><label>Shchepetkin and McWilliams(2003)</label><mixed-citation>
Shchepetkin, A. F. and McWilliams, J. C.: A method for computing horizontal
pressure-gradient force in an oceanic model with a nonaligned vertical
coordinate, J. Geophys. Res.-Oceans, 108, C3, 2003.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib63"><label>Shchepetkin and McWilliams(2005)</label><mixed-citation>
Shchepetkin, A. F. and McWilliams, J. C.: The Regional Ocean Modeling System:
A split-explicit, free-surface, topography following coordinates ocean
model, Ocean Modell., 9, 347–404, 2005.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib64"><label>Smith and Marshall(2009)</label><mixed-citation>
Smith, K. S. and Marshall, J.: Evidence for Enhanced Eddy Mixing at Middepth in
the Southern Ocean, J. Phys. Oceanogr., 39, 50–69, 2009.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib65"><label>Song and Haidvogel(1994)</label><mixed-citation>
Song, Y. and Haidvogel, D.: A semi-implicit ocean circulation model using a
generalized topography-following coordinate system, J. Comput. Phys., 115,
228–244, 1994.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib66"><label>Stewart and Moscoso(2020)</label><mixed-citation>
Stewart, A. L. and Moscoso, J. E.: A Meridionally Averaged Model of Eastern Boundary Upwelling Systems (v1.0) (Version v1.0), Zenodo, <a href="https://doi.org/10.5281/zenodo.3866652" target="_blank">https://doi.org/10.5281/zenodo.3866652</a>, 2020.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib67"><label>St. Laurent et al.(2002)</label><mixed-citation>
St. Laurent, L., Simmons, H., and Jayne, S.: Estimating tidally driven mixing
in the deep ocean, Geophys. Res. Lett., 29, 21–1, 2002.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib68"><label>Tang(1995)</label><mixed-citation>
Tang, E.: The allometry of algal growth rates, Journal of Plankton Research,
17, 1325–1335, 1995.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib69"><label>Towns et al.(2014)</label><mixed-citation>
Towns, J., Cockerill, T., Dahan, M., Foster, I., Gaither, K., Grimshaw, A., Hazlewood, V., Lathrop, S., Lifka, D., Peterson, G. D., Roskies, R., Scott, J. R., and Wilkins-Diehr, N.: XSEDE: accelerating scientific discovery, Comput. Sci. Eng., 16, 62–74, 2014.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib70"><label>Tréguier et al.(1997)</label><mixed-citation>
Tréguier, A.-M., Held, I. M., and Larichev, V. D.: Parameterization of
quasigeostrophic eddies in primitive equation ocean models, J. Phys.
Oceanogr., 27, 567–580, 1997.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib71"><label>Troen and Mahrt(1986)</label><mixed-citation>
Troen, I. B. and Mahrt, L.: A simple model of the atmospheric boundary layer;
sensitivity to surface evaporation, Bound.-Lay. Meteorol., 37, 129–148,
1986.

</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib72"><label>Vallis(2017)</label><mixed-citation>
Vallis, G. K.: Atmospheric and oceanic fluid dynamics, Cambridge University
Press, 2017.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib73"><label>Van Oostende et al.(2018)</label><mixed-citation>
Van Oostende, N., Dussin, R., Stock, C., Barton, A., Curchitser, E., Dunne, J.,
and Ward, B.: Simulating the ocean's chlorophyll dynamic range from coastal
upwelling to oligotrophy, Prog. Oceanogr., 168, 232–247, 2018.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib74"><label>Venegas et al.(2008)</label><mixed-citation>
Venegas, R. M., Strub, P. T., Beier, E., Letelier, R., Thomas, A. C., Cowles,
T., James, C., Soto-Mardones, L., and Cabrera, C.: Satellite-derived
variability in chlorophyll, wind stress, sea surface height, and temperature
in the northern California Current System, J. Geophys. Res.-Oceans, 113, C3, 2008.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib75"><label>Wang and Stewart(2018)</label><mixed-citation>
Wang, Y. and Stewart, A. L.: Eddy dynamics over continental slopes under
retrograde winds: Insights from a model inter-comparison, Ocean Modell.,
121, 1–18, 2018.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib76"><label>Wang and Stewart(2020)</label><mixed-citation>
Wang, Y. and Stewart, A. L.: Scalings for eddy buoyancy transfer across
continental slopes under retrograde winds, Ocean Modell., 147, 101579, <a href="https://doi.org/10.1016/j.ocemod.2020.101579" target="_blank">https://doi.org/10.1016/j.ocemod.2020.101579</a>,
2020.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib77"><label>Ward et al.(2012)</label><mixed-citation>
Ward, B. A., Dutkiewicz, S., Jahn, O., and Follows, M. J.: A size-structured
food-web model for the global ocean, Limnol. Oceanogr., 57, 1877–1891,
2012.
</mixed-citation></ref-html>--></article>
