<?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" article-type="research-article"><?xmltex \makeatother\@nolinetrue\makeatletter?><?xmltex \bartext{Model experiment description paper}?>
  <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-15-4147-2022</article-id><title-group><article-title>Prediction error growth in a more realistic atmospheric toy model with three spatiotemporal scales</article-title><alt-title>Prediction error in a model with spatiotemporal scales</alt-title>
      </title-group><?xmltex \runningtitle{Prediction error in a model with spatiotemporal scales}?><?xmltex \runningauthor{H.~Bedn\'{a}\v{r} and H.~Kantz}?>
      <contrib-group>
        <contrib contrib-type="author" corresp="yes" rid="aff1 aff2">
          <name><surname>Bednář</surname><given-names>Hynek</given-names></name>
          <email>hynek.bednar@mff.cuni.cz</email>
        <ext-link>https://orcid.org/0000-0002-2045-1963</ext-link></contrib>
        <contrib contrib-type="author" corresp="no" rid="aff1">
          <name><surname>Kantz</surname><given-names>Holger</given-names></name>
          
        <ext-link>https://orcid.org/0000-0001-6921-6094</ext-link></contrib>
        <aff id="aff1"><label>1</label><institution>Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems (MPIPKS), 01187, Dresden, Germany</institution>
        </aff>
        <aff id="aff2"><label>2</label><institution>Department of Atmospheric Physics, Faculty of Mathematics and Physics, <?xmltex \hack{\break}?>Charles University, 18000, Prague, Czech Republic</institution>
        </aff>
      </contrib-group>
      <author-notes><corresp id="corr1">Hynek Bednář (hynek.bednar@mff.cuni.cz)</corresp></author-notes><pub-date><day>31</day><month>May</month><year>2022</year></pub-date>
      
      <volume>15</volume>
      <issue>10</issue>
      <fpage>4147</fpage><lpage>4161</lpage>
      <history>
        <date date-type="received"><day>25</day><month>July</month><year>2021</year></date>
           <date date-type="accepted"><day>29</day><month>April</month><year>2022</year></date>
           <date date-type="rev-recd"><day>25</day><month>March</month><year>2022</year></date>
           <date date-type="rev-request"><day>11</day><month>October</month><year>2021</year></date>
      </history>
      <permissions>
        <copyright-statement>Copyright: © 2022 Hynek Bednář</copyright-statement>
        <copyright-year>2022</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/15/4147/2022/gmd-15-4147-2022.html">This article is available from https://gmd.copernicus.org/articles/15/4147/2022/gmd-15-4147-2022.html</self-uri><self-uri xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/15/4147/2022/gmd-15-4147-2022.pdf">The full text article is available as a PDF file from https://gmd.copernicus.org/articles/15/4147/2022/gmd-15-4147-2022.pdf</self-uri>
      <abstract><title>Abstract</title>

      <p id="d1e99">This article studies the growth of the prediction error over lead time in a schematic model of atmospheric transport. Inspired by the Lorenz (2005)
system, we mimic an atmospheric variable in one dimension, which can be decomposed into three spatiotemporal scales. We identify parameter values that
provide spatiotemporal scaling and chaotic behavior.  Instead of exponential growth of the forecast error over time, we observe a more complex
behavior. We test a power law and the quadratic hypothesis for the scale-dependent error growth. The power law is valid for the first days of the
growth, and with an included saturation effect, we extend its validity to the entire period of growth. The theory explaining the parameters of the
power law is confirmed. Although the quadratic hypothesis cannot be completely rejected and could serve as a first guess, the hypothesis's
parameters are not theoretically justifiable in the model. In addition, we study the initial error growth for the ECMWF forecast system
(500 <inline-formula><mml:math id="M1" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">hPa</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> geopotential height) over the 1986 to 2011 period. For these data, it is impossible to assess which of the error growth
descriptions is more appropriate, but the extended power law, which is theoretically substantiated and valid for the Lorenz system, provides an
excellent fit to the average initial error growth of the ECMWF forecast system. Fitting the parameters, we conclude that there is an intrinsic limit
of predictability after 22 <inline-formula><mml:math id="M2" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
  </abstract>
    </article-meta>
  </front>
<body>
      

      <?xmltex \hack{\newpage}?>
<sec id="Ch1.S1" sec-type="intro">
  <label>1</label><title>Introduction</title>
      <p id="d1e129">The improvement of the numerical weather prediction systems raised the question of the intrinsic atmospheric prediction limit, i.e., for the maximal
lead time into the future, after which every forecast will be useless. While the notion of seamless prediction (Shukla, 2009) and seasonal prediction
implies that it will be only a matter of technology to make forecasts far into the future, in recent years, there have been several publications whose
authors assume a strict upper bound in time for making useful predictions (Palmer et al., 2014; Brisch and Kantz, 2019; Zhang et al., 2019). Even if
the numerical model were perfect, the uncertainty of the initial condition would give rise to prediction errors which grow over time. In the setting
of classical low-dimensional chaos, one would observe an exponential error growth whose exponent is given by the largest Lyapunov exponent of the
system, with some saturation when the error reaches the magnitude of the standard deviation of the quantity to be predicted. Although exponential
error growth has been associated with the fact that a detailed forecast is meaningful only up to lead times of a few multiples of the Lyapunov time,
which is the inverse of the Lyapunov exponent, in principle, with absolutely perfect knowledge of the initial condition, one could compute meaningful
predictions up to arbitrary times.</p>
      <p id="d1e132">In contrast to this, it has been observed by several authors in the past (Toth and Kalnay, 1993; Lorenz, 1996; Aurell et al., 1996, 1997; Boffetta
et al., 1998) that the proper Lyapunov exponent of a dynamical system might not be relevant for the issue of predictability, in two ways. First, the
Lyapunov exponent of, for example, atmospheric dynamics is so large that no useful weather prediction was possible. On the other hand, and this is the issue
of the present paper, if the proper Lyapunov exponent is much larger than the error growth rate of large-scale errors, it might render every gain in
resolution and in better precision of the knowledge of the initial condition useless and thereby impose a strict limit to the time into the future
where prediction is meaningful. Brisch and Kantz (2019) and Zhang et al. (2019) predicted a strictly finite prediction horizon associated with a scale-dependent error growth, where tiny errors grow much faster than larger ones. In an idealized model, this could even mean that the proper Lyapunov
exponent of the system was infinite, and that finite size approximations of the Lyapunov exponent (Aurell et al., 1996, 1997) were the larger, the
smaller the scale of this finite size. In real physical systems, one would certainly expect some cut-off of such divergent small-scale instability,
e.g., in turbulence at the Kolmogorov length, the lower end of the inertial range, but the Lyapunov exponent of the system then would still be so
large that it could never be compensated by more precise measurements.</p>
      <p id="d1e135">Palmer et al. (2014), referring to Lorenz (1969), call this growth the “real butterfly effect,” and it is not an exponential error growth defined by
the largest positive Lyapunov exponent, but growth where the exponent is replaced by a scale-dependent quantity (scale-dependent error growth rate).</p>
      <p id="d1e138">The atmosphere exhibits multi-scale dynamics both in space and time, and observations show a close linkage between spatial and temporal scales: the
smaller some structure, the shorter its lifetime and the faster its time evolution. Planetary-scale structures (e.g., semi-permanent pressure centers
or the westerlies and trade winds) have sizes on the order of 10<inline-formula><mml:math id="M3" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M4" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">km</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and live on timescales of weeks and longer. Synoptic-scale
structures (e.g., high and low pressure systems) have sizes of several thousands of kilometers and live on timescales of several days. Mesoscale structures
(e.g., thunderstorms and weather fronts) have sizes from a few kilometers to several hundred kilometers and live on a timescale of a day or
less. Microscale structures (e.g., turbulence) have sizes smaller than 1 <inline-formula><mml:math id="M5" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">km</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and live on a timescale of minutes. In addition to different
spatiotemporal scales, structures also have different error growth rates and predictability. Error growth is faster, and predictability is lesser for
smaller-scale structures.</p>
      <p id="d1e167">Lorenz (1996) gave a sketch of error growth in such a system: a typical quantity to be predicted is a superposition of the dynamics on different
scales. After a fast growth of the small-scale errors with saturation at these very same small scales, the large-scale errors continue to grow at a
slower rate until even these saturate. Therefore, Lyapunov exponents of structures of various spatiotemporal scales are taken as the previously
mentioned scale-dependent quantity, and they determine the error growth on their respective scales.</p>
      <p id="d1e170">Zhang et al. (2019) take a very different starting point and suggest the quadratic hypothesis to describe the scale-dependent error growth. It was
originally designed to describe initial and model error growth (Savijarvi, 1995; Dalcher and Kalnay, 1987). Zhang et al. (2019) recently used a parameter
previously specifying the model error to describe upscale error propagation from small-scale processes and showed the validity of this hypothesis on
data of the numerical weather prediction systems of the European Centre for Medium Range Weather Forecasts (ECMWF) and the US Next Generation Global
Prediction System.</p>
      <p id="d1e173">A scale-dependent error growth in the spirit of Lorenz (1996) was described by Brisch and Kantz (2019) using a power law, which successfully
approximated the data of the National Centers for Environmental Prediction Global Forecast System (Harlim et al., 2005). Brisch and Kantz (2019) also
introduced a theory connecting the power law exponent with the Lyapunov exponents and limit errors of the different scales, and its validity was
demonstrated by a low-dimensional atmospheric system (Lorenz, 1996) extended to five spatiotemporal levels. However, the different scales in this model
cannot be superimposed in order to gain a general signal in the real space, but the different scales were living in different subspaces of phase
space. This lack of realism may limit the general acceptance of this theory and stimulated the present study.</p>
      <p id="d1e176">This article expands Lorenz's (2005) system from two spatiotemporal levels to three and discusses the setting of parameters and its advantage over
other systems. In this system, the scale-dependent growth of the initial error is calculated and is approximated by the power law and the quadratic
hypothesis. The results are discussed, the power law is modified, and the theoretical justifications of the approximations' parameter values are
sought and verified. The findings are then applied to the initial error growth of the ECMWF
numerical weather prediction system over the 1986 to 2011 period (500 <inline-formula><mml:math id="M6" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">hPa</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> geopotential height).</p>
      <p id="d1e187">This article is divided into five sections. The second describes the system with three spatiotemporal scales based on Lorenz (2005). In Sect. 3, we
present the numerical error growth behavior and fit it with previously suggested laws such as a power law growth and the so-called quadratic law,
where we also introduce extensions into the saturation regime where there are large errors. In Sect. 4, we trace back the empirically found parameters of the power
law error growth to properties of the system and show that we can explain these findings self-consistently with the different error growth rates at
different scales. In the fifth section, we perform a similar analysis for the ECMWF forecast system data. Conclusions and discussions are then
presented in the final section.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S2">
  <label>2</label><title>Multi-hierarchical system L05-3</title>
      <p id="d1e198">The designed system with three spatiotemporal levels (L05-3) is based on systems created by Lorenz (2005). The first and simplest of this type is the
low-dimensional atmospheric system (L96) presented by Lorenz (1996). It is a nonlinear model, with <inline-formula><mml:math id="M7" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> variables connected by governing equations:
          <disp-formula id="Ch1.E1" content-type="numbered"><label>1</label><mml:math id="M8" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</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:msub><mml:mi>X</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>X</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:msub><mml:mi>X</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>X</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        where <inline-formula><mml:math id="M9" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. <inline-formula><mml:math id="M10" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</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>X</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>X</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</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:math></inline-formula> are unspecified (i.e., unrelated to actual physical variables) scalar meteorological
quantities (units), <inline-formula><mml:math id="M11" display="inline"><mml:mi>F</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a constant representing external forcing, and <inline-formula><mml:math id="M12" display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula> is time. The index is cyclic so that <inline-formula><mml:math id="M13" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and
variables can be viewed as existing around a latitude circle. Nonlinear terms of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E1"/>) simulate advection. Linear terms represent mechanical
and thermal dissipation. The model quantitatively, to a certain extent, describes weather systems, but, unlike the well-known Lorenz model of
atmospheric convection (Lorenz, 1963), it cannot be derived from any atmospheric dynamic equations. The motivation was to formulate the simplest
possible set of dissipative chaotically behaving differential equations that share some properties with the “real” atmosphere. One of the model's
properties is to have 5 to 7 main highs and lows that correspond to planetary waves (Rossby waves) and several smaller waves corresponding to
synoptic-scale waves. For Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E1"/>), this is only valid for <inline-formula><mml:math id="M14" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">30</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Lorenz (2005), therefore, introduced spatial continuity modification
(L05). Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E1"/>) is then rewritten to the following form:
          <disp-formula id="Ch1.E2" content-type="numbered"><label>2</label><mml:math id="M15" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        where
          <disp-formula id="Ch1.Ex1"><mml:math id="M16" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:munderover><mml:msup><mml:mi/><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:munderover><mml:msup><mml:mi/><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>j</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>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:msup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d1e627">If <inline-formula><mml:math id="M17" display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> is even, <inline-formula><mml:math id="M18" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes a modified summation, in which the first and last terms are to be divided by 2. If <inline-formula><mml:math id="M19" display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> is odd,
<inline-formula><mml:math id="M20" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes an ordinary summation. Generally, <inline-formula><mml:math id="M21" display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> is much smaller than <inline-formula><mml:math id="M22" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M23" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> if <inline-formula><mml:math id="M24" display="inline"><mml:mi>K</mml:mi></mml:math></inline-formula> is even, and <inline-formula><mml:math id="M25" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> if <inline-formula><mml:math id="M26" display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> is odd. To
keep a desirable number of main highs and lows, Lorenz (2005) suggested a ratio <inline-formula><mml:math id="M27" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">30</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M28" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">15</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The choice of parameters <inline-formula><mml:math id="M29" display="inline"><mml:mi>F</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and the setting of
time unit as 5 <inline-formula><mml:math id="M30" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, is also made to obtain a similar value of the largest Lyapunov exponent to the ECMWF forecasting system (Lorenz, 2005).</p>
      <p id="d1e779">A two-level (scales) system (L96-2) was introduced by Lorenz (1996) by coupling two such systems, each of which, aside from the coupling, obeys a
suitably scaled variant of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E1"/>). There are <inline-formula><mml:math id="M31" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> variables <inline-formula><mml:math id="M32" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> plus <inline-formula><mml:math id="M33" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> variables <inline-formula><mml:math id="M34" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</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:math></inline-formula> defined for <inline-formula><mml:math id="M35" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and
<inline-formula><mml:math id="M36" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Governing equations are as follows:<?xmltex \hack{\newpage}?>

              <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M37" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E3"><mml:mtd><mml:mtext>3</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><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>X</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:msub><mml:mi>X</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>X</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:msub><mml:mi>X</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>X</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></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:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>Y</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:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E4"><mml:mtd><mml:mtext>4</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>Y</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:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>Y</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>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi><mml:msub><mml:mi>Y</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>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>Y</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>n</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>c</mml:mi><mml:msub><mml:mi>Y</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:mo>(</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><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="M38" display="inline"><mml:mi>c</mml:mi></mml:math></inline-formula> sets the rapidness of small scale compared to large scale, and <inline-formula><mml:math id="M39" display="inline"><mml:mi>b</mml:mi></mml:math></inline-formula> sets the small-scale amplitude size compared to large scale. <inline-formula><mml:math id="M40" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Y</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:math></inline-formula> while <inline-formula><mml:math id="M41" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><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>Y</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:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M42" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><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>Y</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:math></inline-formula>. <inline-formula><mml:math id="M43" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> represent the values of some quantity in <inline-formula><mml:math id="M44" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> sectors of
latitude circle, while the variables <inline-formula><mml:math id="M45" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</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:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M46" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</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>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) can represent
some other quantity in <inline-formula><mml:math id="M47" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> sectors. In this system, one could construct a more general variable defined on all <inline-formula><mml:math id="M48" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> sectors, namely
<inline-formula><mml:math id="M49" 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:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Y</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>.</p>
      <p id="d1e1466">Similarly to the L96-2 systems, Brisch and Kantz (2019) created L-level systems (L96-H). Their model, however, lacks an essential property of
atmospheric variables: the different levels of their hierarchy are different variables, occupying different subspaces of the phase space, as if it
were different Fourier modes of some system but were defined in real space. Therefore, we introduce here a model which is closer to reality.</p>
      <p id="d1e1470">We start from a system L05-2 like L96-2 (Lorenz, 2005):

              <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M50" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E5"><mml:mtd><mml:mtext>5</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E6"><mml:mtd><mml:mtext>6</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>Y</mml:mi><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d1e1611">Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E6"/>) is analogue to Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E1"/>) (if we substitute <inline-formula><mml:math id="M51" display="inline"><mml:mi>F</mml:mi></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math id="M52" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), and Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E5"/>) is analogue to Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E2"/>) (aside from
the coupling where <inline-formula><mml:math id="M53" display="inline"><mml:mi>c</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the coupling coefficient, and that <inline-formula><mml:math id="M54" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> fluctuates <inline-formula><mml:math id="M55" display="inline"><mml:mi>b</mml:mi></mml:math></inline-formula> times as rapidly, and their amplitude is reduced by the
factor <inline-formula><mml:math id="M56" display="inline"><mml:mi>b</mml:mi></mml:math></inline-formula>). L05-2 or L96-2 systems, however, have an unrealistic property compared to the numerical weather prediction systems. The large-scale and
small-scale features are represented by separate sets of variables <inline-formula><mml:math id="M57" display="inline"><mml:mi>X</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M58" display="inline"><mml:mi>Y</mml:mi></mml:math></inline-formula> instead of appearing as superimposed features of a single
set <inline-formula><mml:math id="M59" display="inline"><mml:mi>Z</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Lorenz (2005) wanted to keep the system as simple as possible, so instead of, for example, Fourier analysis, a procedure for expressing
variables <inline-formula><mml:math id="M60" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as sums of <inline-formula><mml:math id="M61" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M62" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> was introduced:

              <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M63" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E7"><mml:mtd><mml:mtext>7</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:munderover><mml:msup><mml:mi/><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E8"><mml:mtd><mml:mtext>8</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d1e1828">Parameters <inline-formula><mml:math id="M64" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M65" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M66" display="inline"><mml:mi>I</mml:mi></mml:math></inline-formula> are chosen so that <inline-formula><mml:math id="M67" display="inline"><mml:mi>X</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a low-pass filtered version of <inline-formula><mml:math id="M68" display="inline"><mml:mi>Z</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M69" display="inline"><mml:mi>Y</mml:mi></mml:math></inline-formula> represents the difference between the
full signal <inline-formula><mml:math id="M70" display="inline"><mml:mi>Z</mml:mi></mml:math></inline-formula> and the filtered signal. By this procedure, <inline-formula><mml:math id="M71" display="inline"><mml:mi>Y</mml:mi></mml:math></inline-formula> has a much smaller amplitude than <inline-formula><mml:math id="M72" display="inline"><mml:mi>X</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and also its time evolution should be faster
since the temporal derivative is related to the spatial derivative via the difference (<inline-formula><mml:math id="M73" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</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>X</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:math></inline-formula>), which for the low-pass-filtered signal <inline-formula><mml:math id="M74" display="inline"><mml:mi>X</mml:mi></mml:math></inline-formula>
is typically smaller than for the signal <inline-formula><mml:math id="M75" display="inline"><mml:mi>Y</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d1e1938">More precisely, Lorenz's (2005) idea is that the parameters <inline-formula><mml:math id="M76" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M77" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi></mml:math></inline-formula> are chosen so that <inline-formula><mml:math id="M78" display="inline"><mml:mi>X</mml:mi></mml:math></inline-formula> equals <inline-formula><mml:math id="M79" display="inline"><mml:mi>Z</mml:mi></mml:math></inline-formula> whenever <inline-formula><mml:math id="M80" display="inline"><mml:mi>Z</mml:mi></mml:math></inline-formula> changes quadratically
over the longitudes (variables) <inline-formula><mml:math id="M81" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> through <inline-formula><mml:math id="M82" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. It is when <inline-formula><mml:math id="M83" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi/><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and
<inline-formula><mml:math id="M84" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi/><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. By solving these equations, we get the following:

              <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M85" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E9"><mml:mtd><mml:mtext>9</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:msup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E10"><mml:mtd><mml:mtext>10</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:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d1e2204">The procedures (Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E7"/> and <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E8"/>) are functions of the length of the interval <inline-formula><mml:math id="M86" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. When creating a system <inline-formula><mml:math id="M87" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
as the sum of <inline-formula><mml:math id="M88" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M89" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (sum of Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E5"/> and <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E6"/>), the coupling term <inline-formula><mml:math id="M90" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E6"/>), which enables short waves to develop, is combined with the dissipation term <inline-formula><mml:math id="M91" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E6"/>). Therefore the coupling term
can be completely canceled, or it can appear in <inline-formula><mml:math id="M92" display="inline"><mml:mi>X</mml:mi></mml:math></inline-formula> rather than <inline-formula><mml:math id="M93" display="inline"><mml:mi>Y</mml:mi></mml:math></inline-formula> when <inline-formula><mml:math id="M94" display="inline"><mml:mi>Z</mml:mi></mml:math></inline-formula> is analyzed, and there might be nothing to enable the short waves in <inline-formula><mml:math id="M95" display="inline"><mml:mi>Y</mml:mi></mml:math></inline-formula>
to grow. Lorenz (2005) reformulated the coupling process by adding a small fraction of <inline-formula><mml:math id="M96" display="inline"><mml:mi>X</mml:mi></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math id="M97" display="inline"><mml:mi>Y</mml:mi></mml:math></inline-formula>, so small waves in <inline-formula><mml:math id="M98" display="inline"><mml:mi>Y</mml:mi></mml:math></inline-formula> can amplify, and proved that
this is done by replacing <inline-formula><mml:math id="M99" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>Y</mml:mi><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by <inline-formula><mml:math id="M100" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi>X</mml:mi><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E6"/>), and a new form of L05-2 system would be as follows:
          <disp-formula id="Ch1.E11" content-type="numbered"><label>11</label><mml:math id="M101" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>Y</mml:mi><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</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:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
        where <inline-formula><mml:math id="M102" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d1e2577">Based on the L05-2 system (Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E7"/>–<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E11"/>), we designed a three-level (three-scale) system (L05-3):
          <disp-formula id="Ch1.E12" content-type="numbered"><label>12</label><mml:math id="M103" display="block"><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.0}{9.0}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>tot</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</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>c</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</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>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        where <inline-formula><mml:math id="M104" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M105" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M106" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M107" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are parameters and the procedure for expressing the variables:

              <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M108" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E13"><mml:mtd><mml:mtext>13</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{8.5}{8.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:msup><mml:mi/><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo mathsize="2.5em">(</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo mathsize="1.5em">/</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></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:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo mathsize="1.5em">/</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi><mml:mo mathsize="2.5em">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>tot</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E14"><mml:mtd><mml:mtext>14</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{8.5}{8.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:msup><mml:mi/><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo mathsize="2.5em">(</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo mathsize="1.5em">/</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></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:mo mathsize="1.5em">(</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo mathsize="1.5em">/</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo mathsize="1.5em">)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi><mml:mo mathsize="2.5em">)</mml:mo></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>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>tot</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E15"><mml:mtd><mml:mtext>15</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>tot</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</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="M109" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M110" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> set the length of the intervals <inline-formula><mml:math id="M111" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d1e3335">The parameters of any multi-level Lorenz's system (L96-2, L96-H, L05-2, L05-3) should be set so that all levels behave chaotically (the largest
Lyapunov exponent of each level is positive) and that all levels have a significant difference in amplitudes and fluctuation rates. For the L-96
system (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E1"/>), the chaotic behavior is determined by the value of <inline-formula><mml:math id="M112" display="inline"><mml:mi>F</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and the number of variables <inline-formula><mml:math id="M113" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Lorenz (2005) states that for
<inline-formula><mml:math id="M114" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> chaos is found when <inline-formula><mml:math id="M115" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (for <inline-formula><mml:math id="M116" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> it is when <inline-formula><mml:math id="M117" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and for <inline-formula><mml:math id="M118" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> when <inline-formula><mml:math id="M119" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">8</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). In cases such as the L96-2 system (Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E3"/>
and <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E4"/>), where the forcing <inline-formula><mml:math id="M120" display="inline"><mml:mi>F</mml:mi></mml:math></inline-formula> acts only on the largest scale, the chaotic behavior of smaller scales is created by coupling. The size of the
coupling is cascaded from the largest scale to the smaller ones. Because the values of the largest-scale variables are determined by the forcing <inline-formula><mml:math id="M121" display="inline"><mml:mi>F</mml:mi></mml:math></inline-formula>,
the <inline-formula><mml:math id="M122" display="inline"><mml:mi>F</mml:mi></mml:math></inline-formula> value indirectly affects the smaller scales' chaotic behavior and must be chosen large enough to ensure chaotic behavior through coupling for
all scales (levels). For the L05-2 system (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E11"/>), variables are superposed features of a single set calculated by Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E7"/>)
and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E8"/>). In addition to those mentioned above, this procedure affects the chaotic behavior, amplitude, and fluctuation rate of the levels, and
the choice of <inline-formula><mml:math id="M123" display="inline"><mml:mi>I</mml:mi></mml:math></inline-formula> between 10 and 20 may be optimal (Lorenz, 2005). In order to maintain the required properties of the two-scale L05-2 system, Lorenz
(2005) chose <inline-formula><mml:math id="M124" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M125" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 960, <inline-formula><mml:math id="M126" display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M127" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 32, <inline-formula><mml:math id="M128" display="inline"><mml:mi>I</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M129" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 12, <inline-formula><mml:math id="M130" display="inline"><mml:mi>F</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M131" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 15, <inline-formula><mml:math id="M132" display="inline"><mml:mi>b</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M133" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 10, and <inline-formula><mml:math id="M134" display="inline"><mml:mi>c</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M135" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 2.5 (note that for L05-2 and L05-3 systems it is not
possible to directly determine the amplitude and fluctuation rate of smaller scales using spatiotemporal scaling factors <inline-formula><mml:math id="M136" display="inline"><mml:mi>b</mml:mi></mml:math></inline-formula>, because these values are
mainly determined by the procedure for expressing variables and the length of the intervals <inline-formula><mml:math id="M137" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</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="d1e3582"><bold>(a)</bold> Initial conditions (after discarding a transient of 10 years) and values of variables (<inline-formula><mml:math id="M138" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mtext>tot</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) at days <bold>(b)</bold> one, <bold>(c)</bold> two, and <bold>(d)</bold> three of the L05-3 system (Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E13"/>–<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E15"/>) with the parameters <inline-formula><mml:math id="M139" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M140" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 390, <inline-formula><mml:math id="M141" display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M142" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 13, <inline-formula><mml:math id="M143" display="inline"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M144" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 6, <inline-formula><mml:math id="M145" display="inline"><mml:mi>F</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M146" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 15, <inline-formula><mml:math id="M147" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M148" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 1, <inline-formula><mml:math id="M149" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M150" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 10, <inline-formula><mml:math id="M151" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M152" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 1, <inline-formula><mml:math id="M153" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M154" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 1, <inline-formula><mml:math id="M155" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M156" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 20, <inline-formula><mml:math id="M157" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M158" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 10 calculated by a fourth-order Runge–Kutta method with a time step <inline-formula><mml:math id="M159" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M160" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M161" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">240</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> or 0.5 <inline-formula><mml:math id="M162" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">h</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></caption>
        <?xmltex \igopts{width=483.69685pt}?><graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/15/4147/2022/gmd-15-4147-2022-f01.png"/>

      </fig>

      <p id="d1e3844">For the L05-3 system (Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E12"/>–<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E15"/>), it is necessary to specify eight parameters. We tested that the values of coupling coefficients
<inline-formula><mml:math id="M163" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M164" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> do not affect the L05-3 system compared to the values of other parameters, and therefore for simplification <inline-formula><mml:math id="M165" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M166" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 1 and
<inline-formula><mml:math id="M167" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M168" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 1. The parameter <inline-formula><mml:math id="M169" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">15</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is set the same as for other L05 systems. For the medium-scale amplitude to be approximately 10 times smaller
than the large-scale amplitude and the small-scale amplitude to be approximately 10 times smaller than the medium-scale amplitude and for the scales
to have different oscillation rates (Fig. 1), the spatiotemporal scale factors are chosen as <inline-formula><mml:math id="M170" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M171" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 1 and <inline-formula><mml:math id="M172" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M173" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 10 and interval lengths
<inline-formula><mml:math id="M174" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M175" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 20 and <inline-formula><mml:math id="M176" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M177" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 10. <inline-formula><mml:math id="M178" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M179" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 390 turned out to be most suitable for the chaotic behavior of all three levels. In the following,
we will present numerical results of the L05-3 system (Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E12"/>–<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E15"/>) with the parameters <inline-formula><mml:math id="M180" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M181" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 390, <inline-formula><mml:math id="M182" display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M183" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 13, <inline-formula><mml:math id="M184" display="inline"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M185" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 6,
<inline-formula><mml:math id="M186" display="inline"><mml:mi>F</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M187" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 15, <inline-formula><mml:math id="M188" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M189" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 1, <inline-formula><mml:math id="M190" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M191" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 10, <inline-formula><mml:math id="M192" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M193" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 1, <inline-formula><mml:math id="M194" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M195" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 1, <inline-formula><mml:math id="M196" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M197" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 20, and <inline-formula><mml:math id="M198" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M199" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 10, calculated by a
fourth-order Runge–Kutta method with a time step <inline-formula><mml:math id="M200" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M201" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M202" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">240</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> or 0.5 <inline-formula><mml:math id="M203" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">h</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Initial conditions (<inline-formula><mml:math id="M204" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>tot</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M205" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
<inline-formula><mml:math id="M206" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M207" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), which should be free of transient effect, are chosen as final values of arbitrary values integrated for 175 200 steps or
10 years. Initial conditions and values of variables at days one, two, and three can be seen in Fig. 1.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S3">
  <label>3</label><title>Error growth in the L05-3 system</title>
<sec id="Ch1.S3.SS1">
  <label>3.1</label><title>Concepts to characterize scale-dependent error growth</title>
      <p id="d1e4315">In the pioneering papers of Aurell et al. (1996, 1997), a mathematical concept and a numerical
scheme for the calculation of scale-dependent error growth was introduced, called the “finite size
Lyapunov exponent”. Actually, Aruell et al. (1996) have already referred to the atmospheric predictability
problem and named this as one motivation for their work. These papers triggered a set of follow-up
publications where it was studied how scale-dependent error growth manifests itself in different
models with intrinsic hierarchies such as models for fully developed turbulence like the shell model
(Aurell et al., 1996) or how they can be used to study the issue of predictability (Boffetta et al.,
1998; for a review see Cencili and Vulpiani, 2013). In
brief, a finite size Lyapunov exponent can be defined as the ergodic average over phase space of the
growth rate of perturbations of a given magnitude, where the growth rate is defined as the inverse
of the time needed for the error magnitude to increase by a pre-defined factor.</p>
      <p id="d1e4318">In order to be able to investigate the data from the ECMWF forecasts as well, we use here a less rigorous approach: we measure the error amplitude
after fixed time intervals. We then calculate the mean error amplitudes after fixed times, calculate the average growth rates during the last time
interval, and can report the mean growth rates versus mean error magnitudes. Due to the fact that the conditioning is different, this is not the
same as the calculation of the finite size Lyapunov exponent, but it reports similar properties of the system. However, our quantity is more
appropriate for the forecast problem: the initial condition of a forecast has some small error compared to the unknown truth, and assuming a perfect
model, we therefore calculate the average forecast error after a finite time.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S3.SS2">
  <label>3.2</label><title>Numerical scheme for scale-dependent error growth rates</title>
      <p id="d1e4329">In the following, we describe in more detail our numerical approach. By “error growth”, we denote the growth of errors in the initial conditions,
which limit predictability if a system is chaotic. A numerical error growth experiment in a model system, therefore, consists of repeatedly generating
a reference trajectory, which is considered to be the “truth” or verification, and a perturbed trajectory which is the numerical solution of the
system for a perturbed initial condition (perfect model assumption). The time evolution of the difference vector between these two trajectories
averaged over many repetitions then gives insight into the growth of prediction errors. In order for this scheme to be meaningful, we have to ensure
that the reference trajectory is on the attractor of the system, that the repetition of this scheme samples the whole attractor with correct weights
(the invariant measure), and that initial perturbations point already into the locally most unstable direction, since otherwise errors might even
shrink on short timescales (this is also a relevant issue in ensemble forecasts and there its solutions are found in using bred vectors; Toth and Kalnay,
1997). We solve these issues in the following way: we first integrate the system over 10 years, starting from arbitrary initial conditions, and
assume that after discarding this transient, the trajectory is on the attractor. We continue to integrate this single trajectory and consider segments
of it as reference trajectories for error growth, i.e., the many reference trajectories are simply segments of one very long trajectory, which ensures
not only that all these segments are located on the attractor, but that in addition, they sample the attractor according to the invariant measure. For
the perturbed trajectories, we start with a random perturbation of the reference trajectory of very small amplitude and let this trajectory evolve
over time before we start to determine its distance towards the reference trajectory. In other words, we discard some initial time interval of error
growth from our study since this is affected by some complicated transient behavior before it starts to grow with the maximum Lyapunov
exponent. However, due to the hierarchical nature of our model, the error growth with the maximal Lyapunov exponent will saturate already for rather
small error amplitudes and will be replaced by slower error growth on larger scales, an effect which we will study in detail. The above-described
scheme was originally introduced by Lorenz (1996).</p>
      <p id="d1e4332">In our system, the three spatial scales <inline-formula><mml:math id="M208" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M209" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M210" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> cannot be separated in terms of a coordinate transform but are intrinsically
coupled and superimposed in the variables <inline-formula><mml:math id="M211" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mtext>tot</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the system. The initial conditions of the “reality” are called <inline-formula><mml:math id="M212" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>tot</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
from which one finds <inline-formula><mml:math id="M213" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M214" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M215" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> through Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E13"/>)–(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E15"/>). The initial values of the “prediction” are
then <inline-formula><mml:math id="M216" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>tot</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>tot</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M217" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></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> denotes the initial
errors randomly selected from the normal distribution <inline-formula><mml:math id="M218" display="inline"><mml:mrow><mml:mtext>ND</mml:mtext><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.01</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Hence, these initial conditions differ only by the small
perturbation <inline-formula><mml:math id="M219" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></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>. Since the state of the model <inline-formula><mml:math id="M220" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mtext>tot</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the sum over the three components, any arbitrary but small error with
spatially uncorrelated components affects only <inline-formula><mml:math id="M221" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Only a spatially correlated initial error would appear in another component, but since
this error would immediately propagate into the small-scale variables and then grow fastest in these, a perturbation with initial errors in
<inline-formula><mml:math id="M222" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the only practical choice. From <inline-formula><mml:math id="M223" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>tot</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M224" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>tot</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E12"/>) is
integrated forward for 41.7 <inline-formula><mml:math id="M225" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M226" display="inline"><mml:mi>K</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M227" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 2000 steps). In each time step <inline-formula><mml:math id="M228" display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> of the numerical integration, <inline-formula><mml:math id="M229" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and
<inline-formula><mml:math id="M230" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is obtained. The size of the error at a given time <inline-formula><mml:math id="M231" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is <inline-formula><mml:math id="M232" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M233" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M234" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M235" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext>tot</mml:mtext><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:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. We perform
<inline-formula><mml:math id="M236" display="inline"><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M237" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 400 runs in order to calculate the average error growth. In each new run, the initial values <inline-formula><mml:math id="M238" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the last values
<inline-formula><mml:math id="M239" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the previous run. The average initial error growth <inline-formula><mml:math id="M240" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is defined as the geometric mean of the runs of the Euclidean distances
between “reality” and “prediction”:
            <disp-formula id="Ch1.E16" content-type="numbered"><label>16</label><mml:math id="M241" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mroot><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∏</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:munderover><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:mroot><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          where <inline-formula><mml:math id="M242" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext>tot</mml:mtext><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:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The initial transient behavior (0.7 <inline-formula><mml:math id="M243" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) of the average error growth <inline-formula><mml:math id="M244" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is discarded. We do this since the
random initial errors perturb the initial state off the attractor. On very short timescales, the perturbed trajectory relaxes back to the attractor (Brisch
and Kantz, 2019; Bednář et al., 2014) so that the error does not grow. Only after this transient does one observe the characteristic error growth of the
system. In real weather forecasts, the data assimilation scheme 4D-Var usually ensures that the (error-prone) analysis which is used as the initial
condition of the forecast is on the attractor, and also in ensemble forecasts, the perturbations to the analysis are, for example, by the usage of bred
vectors, done in a way that all ensemble members start on (or at least very close to) the attractor. As a result, we have numerical averages for the
error growth as a function of time steps after perturbing the reference trajectories in the full phase space and for <inline-formula><mml:math id="M245" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</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:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. We can convert
these results into the error growth rate as a function of time, and into the error growth rate as a function of the error magnitude. Inspired by Anonymous Referee #1 (2021), we also performed for our model system an analysis in terms of the finite size Lyapunov exponent (Aurell et al. 1996). The
results are qualitatively the same as found by our analysis, with small quantitative differences in the magnitude of the error growth rates (not shown
here). As we discussed before, the ECMWF data can be only analyzed using our approach, and our approach is also more consistent with the performance
of forecasts.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S3.SS3">
  <label>3.3</label><title>Functional forms for error growth rates</title>
      <p id="d1e5190">Let us first consider a classical low-dimensional chaotic system. If the initial errors were infinitesimal, one could follow their growth for infinite
times and define the maximal Lyapunov exponent of the system as <inline-formula><mml:math id="M246" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mo>max⁡</mml:mo></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>lim⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>lim⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>t</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, with a time- and error-independent growth rate <inline-formula><mml:math id="M247" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. This exponential growth is associated with single scale systems, infinitesimal initial error, and the early part
of the error growth (Bednář et al., 2014). In reality, since the initial perturbation is non-infinitesimal, the exponential error growth will cross
over to a constant: the distance between the “true” and the perturbed trajectories cannot become larger than the largest distance on the
attractor. Hence, for large times. the average “error” is then the average distance of two arbitrary points on the attractor, averaged over the
invariant measure. In order to take this saturation effect into account, we use the extended exponential law for the error growth rate:
<inline-formula><mml:math id="M248" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M249" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the saturation value of the respective error. Notice that this extension does not
involve any free parameter other than the measurable saturation value <inline-formula><mml:math id="M250" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d1e5340">We calculate the error growth rate in our L05-3 system using the method of Sprott (2006) (<inline-formula><mml:math id="M251" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M252" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M253" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">100</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
<inline-formula><mml:math id="M254" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). In the following, <inline-formula><mml:math id="M255" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes mean over many initial conditions of the Euclidian distances between the “true” and the
perturbed trajectories at a time <inline-formula><mml:math id="M256" display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula> after initializing the perturbation, measured in the subspace of the coordinates <inline-formula><mml:math id="M257" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, where
<inline-formula><mml:math id="M258" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:mtext>tot</mml:mtext><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:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Numerically, we find <inline-formula><mml:math id="M259" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>tot</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">7.4</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M260" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">6.6</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M261" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.4</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M262" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
(units). We determine the maximal Lyapunov exponents in all four cases and find the values <inline-formula><mml:math id="M263" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mtext>theor</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>tot</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>theor</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>theor</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M264" display="inline"><mml:mo>≈</mml:mo></mml:math></inline-formula> 2.5 <inline-formula><mml:math id="M265" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mo>(</mml:mo><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> and <inline-formula><mml:math id="M266" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>theor</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>theor</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M267" display="inline"><mml:mo>≈</mml:mo></mml:math></inline-formula> 2 <inline-formula><mml:math id="M268" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mo>(</mml:mo><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>. The similarity of the values <inline-formula><mml:math id="M269" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>tau</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>theor</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for all levels
<inline-formula><mml:math id="M270" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</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:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> indicates that they are coupled, so that the maximal Lyapunov exponent when calculated in the double limit <inline-formula><mml:math id="M271" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and
<inline-formula><mml:math id="M272" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> shows up in arbitrary subsystems. These values must not be confused with the Lyapunov exponents characterizing the different levels which
we will calculate later: the evolution of the errors <inline-formula><mml:math id="M273" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can always be studied in a way to see the largest exponent of the system (done here),
but also in a way to see a value which would be the exponent of the corresponding sub-system if one were able to isolate this. In the context of the
coupled system, these sub-system exponents are just some other positive exponents of the full system, since Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E12"/>) in total has, as every
dynamical system, as many Lyapunov exponents as it has degrees of freedom (here <inline-formula><mml:math id="M274" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M275" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 390), where several of these can be positive.</p>
      <p id="d1e5760">The L05-3 system is designed with three spatial and temporal scales, so the error growth rate <inline-formula><mml:math id="M276" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is expected to be a function of the error magnitude <inline-formula><mml:math id="M277" display="inline"><mml:mi>E</mml:mi></mml:math></inline-formula>: after the small-scale errors are no longer growing, the large-scale
errors continue to grow at a lower rate. Brisch and Kantz (2019) described this dependence by a power law:
            <disp-formula id="Ch1.E17" content-type="numbered"><label>17</label><mml:math id="M278" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>:=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mover accent="true"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mi>E</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:msup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          with an exponent <inline-formula><mml:math id="M279" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and a coefficient <inline-formula><mml:math id="M280" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. By integrating Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E17"/>) over time, the power law dependence of the error growth rate on
the error magnitude translates into a power law growth of errors over time:
            <disp-formula id="Ch1.E18" content-type="numbered"><label>18</label><mml:math id="M281" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d1e5957">Similar to the exponential law, this power law does not take the saturation of errors at their largest scale into account. We, therefore, multiply the
right hand side by <inline-formula><mml:math id="M282" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and arrive at the extended power law:
            <disp-formula id="Ch1.E19" content-type="numbered"><label>19</label><mml:math id="M283" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>:=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mover accent="true"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mi>E</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:msup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><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:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d1e6058">Unfortunately, the time integration in order to arrive at an expression of <inline-formula><mml:math id="M284" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> cannot be done analytically but numerically once the parameters
are fixed.</p>
      <p id="d1e6078">A different description of scale-dependent error growth rate was proposed by Zhang et al. (2019), namely a quadratic model which we write down
directly in its extended form containing the saturation effect:
            <disp-formula id="Ch1.E20" content-type="numbered"><label>20</label><mml:math id="M285" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>:=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mover accent="true"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mi>E</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:msup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><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:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∞</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="M286" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a synoptic-scale error growth rate and <inline-formula><mml:math id="M287" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi></mml:math></inline-formula> is an upscale error growth rate from small-scale processes, which was originally
designed to describe model error (Savijarvi, 1995; Dalcher and Kalnay, 1987). By integrating Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E20"/>) over time, we find
            <disp-formula id="Ch1.E21" content-type="numbered"><label>21</label><mml:math id="M288" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d1e6303">When removing the saturation factor <inline-formula><mml:math id="M289" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E21"/>), then it is what was called the quadratic model,
            <disp-formula id="Ch1.E22" content-type="numbered"><label>22</label><mml:math id="M290" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>:=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mover accent="true"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mi>E</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:msup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          with the time evolution of the error
            <disp-formula id="Ch1.E23" content-type="numbered"><label>23</label><mml:math id="M291" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          which is suitable for the first few days of the error growth.</p>
      <p id="d1e6456">To summarize, we can test the validity of the following laws for scale-dependent error growth rates and for the error growth over time: a constant
Lyapunov exponent and hence an exponential error growth, as is expected for the initial time of very small initial errors in a low-dimensional
chaotic system; the extension of this behavior with a saturation factor <inline-formula><mml:math id="M292" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> expected to be valid for all times in a low-dimensional
chaotic system; the (extended) quadratic law proposed in Zhang et al. (2019); and the (extended) power law growth proposed in Brisch and Kantz (2019).</p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F2" specific-use="star"><?xmltex \currentcnt{2}?><?xmltex \def\figurename{Figure}?><label>Figure 2</label><caption><p id="d1e6484"><bold>(a)</bold> Error growth rate <inline-formula><mml:math id="M293" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mtext>tot</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>of the L05-3 system (black). Power law <inline-formula><mml:math id="M294" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E19"/>) with the exponent <inline-formula><mml:math id="M295" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.5</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the coefficient <inline-formula><mml:math id="M296" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.41</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M297" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">units</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.5</mml:mn></mml:msup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><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>) (<inline-formula><mml:math id="M298" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>tot</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, blue, dashed) and extended power law <inline-formula><mml:math id="M299" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Eq. 26) with the exponent <inline-formula><mml:math id="M300" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.47</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the coefficient <inline-formula><mml:math id="M301" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.46</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M302" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">units</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.47</mml:mn></mml:msup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><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>), and <inline-formula><mml:math id="M303" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">7.36</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (units) (<inline-formula><mml:math id="M304" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>tot</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, red, dashed) that approximate <inline-formula><mml:math id="M305" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mtext>tot</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. <bold>(b)</bold> Error growth <inline-formula><mml:math id="M306" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mtext>tot</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E17"/>) (black), solution <inline-formula><mml:math id="M307" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>tot</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">p</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> (blue, dashed) of <inline-formula><mml:math id="M308" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>tot</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E19"/>), and numerical solution of <inline-formula><mml:math id="M309" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>tot</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (red, dashed).</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=483.69685pt}?><graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/15/4147/2022/gmd-15-4147-2022-f02.png"/>

        </fig>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F3" specific-use="star"><?xmltex \currentcnt{3}?><?xmltex \def\figurename{Figure}?><label>Figure 3</label><caption><p id="d1e6808"><bold>(a)</bold> Error growth rate <inline-formula><mml:math id="M310" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mtext>tot</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the L05-3 system (black). Quadratic model <inline-formula><mml:math id="M311" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E22"/>) with <inline-formula><mml:math id="M312" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.25</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M313" 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>) and <inline-formula><mml:math id="M314" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.13</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (units per day) (<inline-formula><mml:math id="M315" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>tot</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, blue, dashed) and extended quadratic model <inline-formula><mml:math id="M316" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E20"/>) with <inline-formula><mml:math id="M317" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M318" 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>), the coefficient <inline-formula><mml:math id="M319" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.19</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (units per day), and <inline-formula><mml:math id="M320" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">7.3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (units) (<inline-formula><mml:math id="M321" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, red, dashed) that approximate <inline-formula><mml:math id="M322" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mtext>tot</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. <bold>(b)</bold> Error growth <inline-formula><mml:math id="M323" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mtext>tot</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E17"/>) (black), solution <inline-formula><mml:math id="M324" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>tot</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">r</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> (blue, dashed) of <inline-formula><mml:math id="M325" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>tot</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E22"/>), and solution <inline-formula><mml:math id="M326" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>tot</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">q</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> (blue, dashed) of <inline-formula><mml:math id="M327" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>tot</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E21"/>) (red, dashed).</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=483.69685pt}?><graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/15/4147/2022/gmd-15-4147-2022-f03.png"/>

        </fig>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F4" specific-use="star"><?xmltex \currentcnt{4}?><?xmltex \def\figurename{Figure}?><label>Figure 4</label><caption><p id="d1e7146"><bold>(a)</bold> Error growth rate <inline-formula><mml:math id="M328" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>of the L05-3 system's <inline-formula><mml:math id="M329" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> scale (black). Extended exponential growth <inline-formula><mml:math id="M330" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Eq. 24) with <inline-formula><mml:math id="M331" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M332" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 3.6 (<inline-formula><mml:math id="M333" 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>) and <inline-formula><mml:math id="M334" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M335" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.06 (units) (<inline-formula><mml:math id="M336" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, red, dashed) and extended power law <inline-formula><mml:math id="M337" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Eq. 26) with the exponent <inline-formula><mml:math id="M338" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.75</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the coefficient <inline-formula><mml:math id="M339" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.13</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M340" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">units</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.75</mml:mn></mml:msup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><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>), and <inline-formula><mml:math id="M341" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M342" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.3 (units) (<inline-formula><mml:math id="M343" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, blue, dashed) and <inline-formula><mml:math id="M344" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mtext>teor</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>tot</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>teor</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>teor</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M345" display="inline"><mml:mo>≈</mml:mo></mml:math></inline-formula> 2.5 (<inline-formula><mml:math id="M346" 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>) (Sprott's, 2006, method, orange, dotted). <bold>(b)</bold> Error growth rate <inline-formula><mml:math id="M347" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the L05-3 system's <inline-formula><mml:math id="M348" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> scale (black). Extended exponential growth <inline-formula><mml:math id="M349" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Eq. 24) with <inline-formula><mml:math id="M350" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M351" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.8 (<inline-formula><mml:math id="M352" 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>) and <inline-formula><mml:math id="M353" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M354" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.55 (units) (<inline-formula><mml:math id="M355" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, red, dashed) and extended power law <inline-formula><mml:math id="M356" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Eq. 26) with the exponent <inline-formula><mml:math id="M357" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.44</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the coefficient <inline-formula><mml:math id="M358" display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M359" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.25 (<inline-formula><mml:math id="M360" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">units</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.44</mml:mn></mml:msup><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>), and <inline-formula><mml:math id="M361" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M362" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 1.4 (units) (<inline-formula><mml:math id="M363" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, blue, dashed) and error growth rate <inline-formula><mml:math id="M364" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the L05-3 system's <inline-formula><mml:math id="M365" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> scale (orange). <bold>(c)</bold> Error growth rate <inline-formula><mml:math id="M366" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>of the L05-3 system's <inline-formula><mml:math id="M367" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> scale (black). Extended exponential growth <inline-formula><mml:math id="M368" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Eq. 24) with <inline-formula><mml:math id="M369" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M370" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.28 (<inline-formula><mml:math id="M371" 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>) and <inline-formula><mml:math id="M372" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M373" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 6.1 (units) (<inline-formula><mml:math id="M374" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, red, dashed) and extended power law <inline-formula><mml:math id="M375" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Eq. 26) with the exponent <inline-formula><mml:math id="M376" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M377" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.5, the coefficient <inline-formula><mml:math id="M378" display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M379" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.43 (<inline-formula><mml:math id="M380" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">units</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.5</mml:mn></mml:msup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><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>), and <inline-formula><mml:math id="M381" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M382" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 6.6 (units) (<inline-formula><mml:math id="M383" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, blue, dashed). <bold>(d)</bold> Error growth rate <inline-formula><mml:math id="M384" 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:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> where <inline-formula><mml:math id="M385" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M386" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> tot (black, thin), <inline-formula><mml:math id="M387" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M388" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> <italic>1</italic> (red, thin), <inline-formula><mml:math id="M389" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M390" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> <italic>2</italic> (orange, thin), <inline-formula><mml:math id="M391" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M392" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> <italic>3</italic> (blue, thin). Extended power law <inline-formula><mml:math id="M393" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> where <inline-formula><mml:math id="M394" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M395" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> tot (black), <inline-formula><mml:math id="M396" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M397" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> <italic>1</italic> (red), <inline-formula><mml:math id="M398" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M399" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> <italic>2</italic> (orange) with <inline-formula><mml:math id="M400" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (orange, dashed–dotted), <inline-formula><mml:math id="M401" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M402" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> <italic>3</italic> (blue) with <inline-formula><mml:math id="M403" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (blue, dashed–dotted). Power law <inline-formula><mml:math id="M404" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>tot</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (black, dashed). Extended exponential growth <inline-formula><mml:math id="M405" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> where <inline-formula><mml:math id="M406" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M407" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> <italic>1</italic> (red, dashed) with <inline-formula><mml:math id="M408" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (red, dotted), <inline-formula><mml:math id="M409" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M410" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> <italic>2</italic> (orange, dashed) with <inline-formula><mml:math id="M411" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (orange, dotted), <inline-formula><mml:math id="M412" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M413" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> <italic>3</italic> (blue, dashed) and <inline-formula><mml:math id="M414" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mtext>teor</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (black, dotted).</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=483.69685pt}?><graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/15/4147/2022/gmd-15-4147-2022-f04.png"/>

        </fig>

      <p id="d1e8309">In Figs. 2–4, we present the numerical results of the error growth over time of the errors <inline-formula><mml:math id="M415" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math id="M416" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:mtext>tot</mml:mtext><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:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and the
corresponding error growth rates as a function of the error magnitude.</p>
      <p id="d1e8357">The power law <inline-formula><mml:math id="M417" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E17"/>) approximates the L05-3 system error growth rate <inline-formula><mml:math id="M418" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mtext>tot</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the interval
<inline-formula><mml:math id="M419" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mtext>tot</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>tot</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.5</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Fig. 2a). For larger errors, there is no “next level” of the hierarchy any more, so that the power
law evidently cannot be valid. For <inline-formula><mml:math id="M420" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mtext>tot</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.5</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>tot</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the empirical error growth rate
<inline-formula><mml:math id="M421" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mtext>tot</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Fig. 2a) decreases much faster than the power <inline-formula><mml:math id="M422" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, due to saturation of the errors at
<inline-formula><mml:math id="M423" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Hence, the power law <inline-formula><mml:math id="M424" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E18"/>) yields a good approximation of L05-3 system error growth <inline-formula><mml:math id="M425" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mtext>tot</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
only in the early part of the growth within 6 <inline-formula><mml:math id="M426" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Fig. 2b), where we find the numerical values <inline-formula><mml:math id="M427" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.5</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and
<inline-formula><mml:math id="M428" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.41</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M429" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">units</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.5</mml:mn></mml:msup><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>). This power law needs to be corrected on times beyond 6 <inline-formula><mml:math id="M430" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in order to be able to model the saturation
of errors, called the extended power law above. Inserting the numerically observed saturation value <inline-formula><mml:math id="M431" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">7.4</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, a fit of
<inline-formula><mml:math id="M432" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E19"/>) yields <inline-formula><mml:math id="M433" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.47</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M434" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.46</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M435" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">units</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.47</mml:mn></mml:msup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><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>). With this extension, we are able to
suitably approximate the L05-3 system error growth <inline-formula><mml:math id="M436" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mtext>tot</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>tot</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>tot</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Fig. 2a) on the entire range of
errors. The numerical time integration of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E19"/>) approximates correspondingly well the L05-3 system error growth <inline-formula><mml:math id="M437" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mtext>tot</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from
the initial conditions <inline-formula><mml:math id="M438" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to the limit (saturated) value <inline-formula><mml:math id="M439" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>tot</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Fig. 2b).</p>
      <p id="d1e8784">We also fit the quadratic model <inline-formula><mml:math id="M440" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E22"/>), to the numerically obtained L05-3 system error growth rate
<inline-formula><mml:math id="M441" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mtext>tot</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. It can reproduce the error growth rate in the interval <inline-formula><mml:math id="M442" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mtext>tot</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.5</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as well, but not as
accurately as the power law (Fig. 3a). For larger errors in the interval <inline-formula><mml:math id="M443" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mtext>tot</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.5</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>tot</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the quadratic model
<inline-formula><mml:math id="M444" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> decreases more slowly than the L05-3 system error growth rate <inline-formula><mml:math id="M445" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mtext>tot</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the power law
<inline-formula><mml:math id="M446" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Figs. 3a and 2a). The solution of the quadratic model for the time evolution of the error, <inline-formula><mml:math id="M447" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
(Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E23"/>), with <inline-formula><mml:math id="M448" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.25</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M449" 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>) and <inline-formula><mml:math id="M450" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.13</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (units per day) determined from the approximation is similar to
<inline-formula><mml:math id="M451" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with a given coefficient and exponent, but it does not approximate the data as accurately (Fig. 3b). The factor <inline-formula><mml:math id="M452" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
with <inline-formula><mml:math id="M453" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">7.3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the extended quadratic model, Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E20"/>), yields a much better approximation along the entire time interval,
<inline-formula><mml:math id="M454" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mtext>tot</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>tot</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>tot</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Fig. 3a), but it is slightly less accurate than the extended power law in the
interval <inline-formula><mml:math id="M455" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mtext>tot</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>tot</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.5</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. This inaccuracy is significant for the solution of the extended quadratic model
<inline-formula><mml:math id="M456" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E21"/>) with <inline-formula><mml:math id="M457" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M458" 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>) and <inline-formula><mml:math id="M459" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.19</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (units per day) determined from the approximation,
where the early part of growth is the least similar to error growth <inline-formula><mml:math id="M460" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mtext>tot</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Fig. 3b).</p>
<sec id="Ch1.S3.SS3.SSS1">
  <label>3.3.1</label><title>Self-consistent explanation of the observed approximate power law</title>
      <p id="d1e9221">Brisch and Kantz (2019) derived the value of the exponent <inline-formula><mml:math id="M461" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> of the power law Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E17"/>) from other system properties. They argue that
the power law is a result of the superposition of the error growth on different spatial scales with different growth rates. Translated into our L05-3
system it should work as follows: the small-scale error growth <inline-formula><mml:math id="M462" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> should follow the (extended) exponential growth (solution of
<inline-formula><mml:math id="M463" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, with <inline-formula><mml:math id="M464" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and a saturation scale <inline-formula><mml:math id="M465" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. After its saturation, the medium-scale error
continues to grow, but with a lower rate <inline-formula><mml:math id="M466" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and will saturate at a larger scale <inline-formula><mml:math id="M467" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Beyond that, the total error growth can
only be driven by the growth of the large-scale errors with an even slower growth rate <inline-formula><mml:math id="M468" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and saturation scale <inline-formula><mml:math id="M469" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. If the
model is designed such that <inline-formula><mml:math id="M470" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M471" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, while <inline-formula><mml:math id="M472" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and
<inline-formula><mml:math id="M473" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, then it was argued that the exponent of the power law should be <inline-formula><mml:math id="M474" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d1e9500">The model of Brisch and Kantz (2019) was constructed of weakly coupled identical sub-systems, with additional scaling parameters for the amplitude and
time of the different subsystems. Therefore, there were rather well defined error growth rates <inline-formula><mml:math id="M475" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M476" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</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:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and it was easily
possible to tune these so that <inline-formula><mml:math id="M477" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M478" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In our
L05-3 model, all this is not the case. The advantage of our model, however, is that it is much closer to the phenomenology of an atmospheric model: in
a single field <inline-formula><mml:math id="M479" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mtext>tot</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we observe both large-scale and small-scale structures, and we observe both fast and slow motion.</p>
      <p id="d1e9628">In the L05-3 model, we have determined the error growth of a given level by the study of the distance between reference trajectories and perturbed
trajectories in the corresponding coordinates <inline-formula><mml:math id="M480" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M481" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</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:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>; see Fig. 4. It is straightforward to identify the saturation values
<inline-formula><mml:math id="M482" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. We describe here how we find approximate values for the growth rates <inline-formula><mml:math id="M483" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the extended exponential law
(<inline-formula><mml:math id="M484" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from our numerics. We can then determine <inline-formula><mml:math id="M485" display="inline"><mml:mi>c</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M486" display="inline"><mml:mi>b</mml:mi></mml:math></inline-formula> and hence a theoretical value for <inline-formula><mml:math id="M487" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, which
we will compare to the numerical fit.</p>
      <p id="d1e9747">By Sprott's method (Sprott, 2006) we calculate the error growth rates of the three levels separately and the total error growth rate. As one can see
in Fig. 4, <inline-formula><mml:math id="M488" 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:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be well described by the extended power law <inline-formula><mml:math id="M489" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> on the whole range of <inline-formula><mml:math id="M490" display="inline"><mml:mi>E</mml:mi></mml:math></inline-formula> for all
<inline-formula><mml:math id="M491" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The individual contributions of the levels (scales) <inline-formula><mml:math id="M492" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M493" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</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:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to the error growth rates <inline-formula><mml:math id="M494" 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:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are then
identified as parts that fulfill the extended exponential growth <inline-formula><mml:math id="M495" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Numerically, we identify the following values: the extended
growth rates are <inline-formula><mml:math id="M496" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3.6</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M497" 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>), <inline-formula><mml:math id="M498" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.8</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M499" 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>), and <inline-formula><mml:math id="M500" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.28</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M501" 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>). The corresponding
saturation scales are determined as <inline-formula><mml:math id="M502" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.06</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (units), <inline-formula><mml:math id="M503" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.55</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (units), and <inline-formula><mml:math id="M504" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">6.1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (units). The
values for levels <inline-formula><mml:math id="M505" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are extracted from the range where the effect of <inline-formula><mml:math id="M506" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is no longer present (Fig. 4b), while for <inline-formula><mml:math id="M507" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
we consider the late stage of the error growth rate <inline-formula><mml:math id="M508" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Fig. 4c). Following the arguments from above, we derive <inline-formula><mml:math id="M509" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> as
<inline-formula><mml:math id="M510" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.47</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> where <inline-formula><mml:math id="M511" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M512" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. We get the
same value of <inline-formula><mml:math id="M513" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.47</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> where <inline-formula><mml:math id="M514" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M515" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>teor</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, even though <inline-formula><mml:math id="M516" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>≠</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M517" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>≠</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Note that <inline-formula><mml:math id="M518" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> uses <inline-formula><mml:math id="M519" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>teor</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> instead of
<inline-formula><mml:math id="M520" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. This is because <inline-formula><mml:math id="M521" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> should be computed from the ranges where <inline-formula><mml:math id="M522" display="inline"><mml:mi>E</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M523" display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula> are small/short but which include some transient
behavior (Fig. 4a), and therefore <inline-formula><mml:math id="M524" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>teor</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a more appropriate value.</p>
      <p id="d1e10418">These derived values for <inline-formula><mml:math id="M525" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> are in perfect agreement with the empirical fit of the extended power law <inline-formula><mml:math id="M526" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which yields
<inline-formula><mml:math id="M527" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.47</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and it is close to the value <inline-formula><mml:math id="M528" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.50</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the power law <inline-formula><mml:math id="M529" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> without the saturation effect.</p>
      <p id="d1e10486">The coupling of the levels has the consequence that one cannot define the Lyapunov exponents for the individual levels in a mathematically rigorous
way. We calculated them as <inline-formula><mml:math id="M530" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.28</mml:mn><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext>const.</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M531" 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>) at <inline-formula><mml:math id="M532" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.55</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M533" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.8</mml:mn><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext>const.</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M534" 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>) at <inline-formula><mml:math id="M535" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.06</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> using the extended exponential law. It is well justified to use
these to determine the exponent <inline-formula><mml:math id="M536" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. However, they do not fit the error growth rate <inline-formula><mml:math id="M537" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mtext>tot</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mtext>tot</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>≠</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M538" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mtext>tot</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>≠</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, Fig. 4d). Instead, a fit to
<inline-formula><mml:math id="M539" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mtext>tot</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> yields <inline-formula><mml:math id="M540" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mtext>tot</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.28</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M541" 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>) in the limit value of medium-scale
error growth <inline-formula><mml:math id="M542" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.4</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M543" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mtext>tot</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.8</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M544" 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>) in the limit value of small-scale
error growth <inline-formula><mml:math id="M545" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Fig. 4d). If we approximate the values <inline-formula><mml:math id="M546" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M547" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by the power law <inline-formula><mml:math id="M548" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with the exponent <inline-formula><mml:math id="M549" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.5</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we get the coefficient
<inline-formula><mml:math id="M550" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M551" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">units</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.5</mml:mn></mml:msup><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>), and by the power law <inline-formula><mml:math id="M552" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with the exponent <inline-formula><mml:math id="M553" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.47</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we get
<inline-formula><mml:math id="M554" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.21</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M555" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">units</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.47</mml:mn></mml:msup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><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>). These power laws should describe the error growth of the system without coupling (the extended power law was
not used because <inline-formula><mml:math id="M556" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is negligible in this area), and if we compare these values with the values of the power laws
(<inline-formula><mml:math id="M557" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>tot</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>: <inline-formula><mml:math id="M558" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.5</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M559" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.41</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M560" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">units</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.5</mml:mn></mml:msup><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>), <inline-formula><mml:math id="M561" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>tot</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>: <inline-formula><mml:math id="M562" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.47</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
<inline-formula><mml:math id="M563" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.46</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M564" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">units</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.46</mml:mn></mml:msup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><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>)) that approximate the error growth rate of the L05-3 system <inline-formula><mml:math id="M565" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mtext>tot</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (the system with
coupling), we find that the value of the coefficient <inline-formula><mml:math id="M566" display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula> changed. We, therefore, conclude that the coefficient <inline-formula><mml:math id="M567" display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula> is subject to the degree of
coupling of the system.</p>
      <p id="d1e11252">Values <inline-formula><mml:math id="M568" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.25</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M569" 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>) for the quadratic model <inline-formula><mml:math id="M570" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E22"/>) and <inline-formula><mml:math id="M571" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M572" 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>) for the
extended quadratic model <inline-formula><mml:math id="M573" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E20"/>) should describe the synoptic-scale error growth rate (Zhang et al., 2019; Zhang and Sun,
2020). For the L05-3 system, it is <inline-formula><mml:math id="M574" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.28</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>(<inline-formula><mml:math id="M575" 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>) obtained from the approximation by the extended exponential growth
(<inline-formula><mml:math id="M576" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) for <inline-formula><mml:math id="M577" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. We can see that <inline-formula><mml:math id="M578" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is closer to <inline-formula><mml:math id="M579" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi></mml:math></inline-formula> from the quadratic model
<inline-formula><mml:math id="M580" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, but none of <inline-formula><mml:math id="M581" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi></mml:math></inline-formula> describes <inline-formula><mml:math id="M582" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> exactly. Values <inline-formula><mml:math id="M583" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.13</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (units per day) and
<inline-formula><mml:math id="M584" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.19</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (units per day) that according to Zhang et al. (2019) and Zhang and Sun (2020) should describe upscale error growth rate from small-scale
processes could not be identified or described in the L05-3 system.</p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F5" specific-use="star"><?xmltex \currentcnt{5}?><?xmltex \def\figurename{Figure}?><label>Figure 5</label><caption><p id="d1e11503">The error growth rate <inline-formula><mml:math id="M585" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mtext>EFS</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and error growth <inline-formula><mml:math id="M586" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mtext>EFS</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the ECMWF forecasting system's 500 <inline-formula><mml:math id="M587" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">hPa</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> geopotential height values (Northern Hemisphere, 20–90<inline-formula><mml:math id="M588" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mo>∘</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>) calculated as differences between two operational forecasts issued with 1 d lag but valid on the same day (black), approximation by the extended power law <inline-formula><mml:math id="M589" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Eq. 26) and <inline-formula><mml:math id="M590" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Eq. 27) (red, dashed), and approximation by the extended quadratic model <inline-formula><mml:math id="M591" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E20"/>) and <inline-formula><mml:math id="M592" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E21"/>) (blue, dashed). <bold>(a, b)</bold> Annual average of 2000, <inline-formula><mml:math id="M593" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>EFS</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M594" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>EFS</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">w</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> with <inline-formula><mml:math id="M595" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M596" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.28, <inline-formula><mml:math id="M597" display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M598" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 1.1 (<inline-formula><mml:math id="M599" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.28</mml:mn></mml:msup><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>), and <inline-formula><mml:math id="M600" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M601" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 115 (<inline-formula><mml:math id="M602" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), <inline-formula><mml:math id="M603" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>EFS</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M604" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>EFS</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">p</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> with <inline-formula><mml:math id="M605" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M606" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.32 (<inline-formula><mml:math id="M607" 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>) and <inline-formula><mml:math id="M608" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M609" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 3.2 (<inline-formula><mml:math id="M610" 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">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>) and <inline-formula><mml:math id="M611" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M612" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 110 (<inline-formula><mml:math id="M613" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). <bold>(c, d)</bold> Annual average of 2010, <inline-formula><mml:math id="M614" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>EFS</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M615" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>EFS</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">w</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> with <inline-formula><mml:math id="M616" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M617" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.17, <inline-formula><mml:math id="M618" display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M619" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.8 (<inline-formula><mml:math id="M620" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.17</mml:mn></mml:msup><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>), and <inline-formula><mml:math id="M621" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M622" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 114 (<inline-formula><mml:math id="M623" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), <inline-formula><mml:math id="M624" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>EFS</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M625" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>EFS</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">p</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> with <inline-formula><mml:math id="M626" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M627" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.4 (<inline-formula><mml:math id="M628" 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>) and <inline-formula><mml:math id="M629" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M630" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 2 (<inline-formula><mml:math id="M631" 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">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>) and <inline-formula><mml:math id="M632" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M633" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 111 (<inline-formula><mml:math id="M634" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>).</p></caption>
            <?xmltex \igopts{width=483.69685pt}?><graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/15/4147/2022/gmd-15-4147-2022-f05.png"/>

          </fig>

</sec>
</sec>
</sec>
<sec id="Ch1.S4">
  <label>4</label><title>Error growth in the ECMWF forecast system</title>
      <p id="d1e12155">The error growth <inline-formula><mml:math id="M635" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mtext>EFS</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the ECMWF forecasting system's 500 <inline-formula><mml:math id="M636" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">hPa</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> geopotential
height values (Magnusson, 2013) is calculated
(Magnusson and Kallen, 2013) as annual averages over the Northern Hemisphere (20–90<inline-formula><mml:math id="M637" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mo>∘</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>)
obtained daily from 1 January 1986 to 31 December 2011. As “errors” one uses the differences
between two operational forecasts issued with 1 d lag for the same day, in order to eliminate
the effects of model errors. Specifically, we evaluate these for 27 different lead times and used
the following time intervals in hours: 0–24, 6–30, 12–36, 18–42, 24–48, 30–54, 36–60, 42–66,
48–72, 54–78, 60–84, 66–90, 72–96, 78–102, 84–108, 90–114, 96–120, 108–132, 120–144,
132–156, 144–168, 156–180, 168–192, 180–204, 192–216, 204–228, 216–240. Detailed information
about calculating the error growth of the ECMWF forecasting system can be found in Lorenz
(1982). The error growth rate <inline-formula><mml:math id="M638" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mtext>EFS</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>:=</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math id="M639" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> h for the first 17 time steps and
<inline-formula><mml:math id="M640" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M641" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 12 <inline-formula><mml:math id="M642" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">h</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the remaining 10 time steps and the error growth
<inline-formula><mml:math id="M643" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mtext>EFS</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are calculated between the first and tenth day. The differences 0–24, 6–30,
12–36 are discarded because <inline-formula><mml:math id="M644" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mtext>EFS</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for these differences is either increasing
or constant due to transient behavior; see Fig. 5.</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="d1e12339">Values of coefficients <inline-formula><mml:math id="M645" display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula> <bold>(a)</bold> and exponents <inline-formula><mml:math id="M646" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> <bold>(b)</bold> of the extended power law <inline-formula><mml:math id="M647" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Eq. 26) approximated from annual averages of the error growth rate <inline-formula><mml:math id="M648" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mtext>EFS</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the ECMWF forecasting system's 500 <inline-formula><mml:math id="M649" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">hPa</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> geopotential height values (Northern Hemisphere, 20–90<inline-formula><mml:math id="M650" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mo>∘</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>) calculated as differences between two operational forecasts issued with 1 d lag but valid on the same day (black) and the average value of coefficients <inline-formula><mml:math id="M651" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>EFS</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M652" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.93 <inline-formula><mml:math id="M653" display="inline"><mml:mo>±</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.18 <inline-formula><mml:math id="M654" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:msup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><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> and exponents <inline-formula><mml:math id="M655" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>EFS</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M656" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.21 <inline-formula><mml:math id="M657" display="inline"><mml:mo>±</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.07 over all years (black, dashed).</p></caption>
        <?xmltex \igopts{width=483.69685pt}?><graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/15/4147/2022/gmd-15-4147-2022-f06.png"/>

      </fig>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F7" specific-use="star"><?xmltex \currentcnt{7}?><?xmltex \def\figurename{Figure}?><label>Figure 7</label><caption><p id="d1e12499">Values of parameters <inline-formula><mml:math id="M658" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi></mml:math></inline-formula> <bold>(a)</bold> and <inline-formula><mml:math id="M659" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi></mml:math></inline-formula> <bold>(b)</bold> of the extended quadratic model <inline-formula><mml:math id="M660" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> approximated from annual averages of the error growth rate <inline-formula><mml:math id="M661" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mtext>EFS</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the ECMWF forecasting system's 500 <inline-formula><mml:math id="M662" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">hPa</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> geopotential height values (Northern Hemisphere, 20–90<inline-formula><mml:math id="M663" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mo>∘</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>) calculated as differences between two operational forecasts issued with 1 d lag but valid on the same day (black), the average value of parameters <inline-formula><mml:math id="M664" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>EFS</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M665" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.35 <inline-formula><mml:math id="M666" display="inline"><mml:mo>±</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.04 <inline-formula><mml:math id="M667" 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> and <inline-formula><mml:math id="M668" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>EFS</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M669" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 2.8 <inline-formula><mml:math id="M670" display="inline"><mml:mo>±</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.9 <inline-formula><mml:math id="M671" 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">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> over all years (black, dashed) and theoretical value of <inline-formula><mml:math id="M672" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mtext>teor</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (blue) and its average value <inline-formula><mml:math id="M673" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>teor</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M674" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.37 <inline-formula><mml:math id="M675" display="inline"><mml:mo>±</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.02 <inline-formula><mml:math id="M676" 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> (blue, dashed) over all years determined by Bednář et al. (2021).</p></caption>
        <?xmltex \igopts{width=483.69685pt}?><graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/15/4147/2022/gmd-15-4147-2022-f07.png"/>

      </fig>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F8" specific-use="star"><?xmltex \currentcnt{8}?><?xmltex \def\figurename{Figure}?><label>Figure 8</label><caption><p id="d1e12725">Values of limit (saturated) values <inline-formula><mml:math id="M677" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>EFS</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>  of the extended power law <inline-formula><mml:math id="M678" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (red), <inline-formula><mml:math id="M679" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>EFS</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">q</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>  of the extended quadratic model <inline-formula><mml:math id="M680" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (blue), and theoretical value <inline-formula><mml:math id="M681" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>EFS</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mtext>teor</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>  determined by Bednář et al. (2021) (black) approximated from annual averages of the error growth rate <inline-formula><mml:math id="M682" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mtext>EFS</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the ECMWF forecasting system's 500 <inline-formula><mml:math id="M683" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">hPa</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> geopotential height values (Northern Hemisphere, 20–90<inline-formula><mml:math id="M684" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mo>∘</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>) calculated as differences between two operational forecasts issued with 1 d lag but valid on the same day. The average value of <inline-formula><mml:math id="M685" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mtext>EFS</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M686" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 114 <inline-formula><mml:math id="M687" display="inline"><mml:mo>±</mml:mo></mml:math></inline-formula> 7 <inline-formula><mml:math id="M688" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (red, dashed), <inline-formula><mml:math id="M689" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mtext>EFS</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">q</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M690" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 111 <inline-formula><mml:math id="M691" display="inline"><mml:mo>±</mml:mo></mml:math></inline-formula> 7 <inline-formula><mml:math id="M692" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (blue, dashed), and <inline-formula><mml:math id="M693" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mtext>EFS</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mtext>teor</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M694" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 118 <inline-formula><mml:math id="M695" display="inline"><mml:mo>±</mml:mo></mml:math></inline-formula> 7 <inline-formula><mml:math id="M696" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (black, dashed).</p></caption>
        <?xmltex \igopts{width=312.980315pt}?><graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/15/4147/2022/gmd-15-4147-2022-f08.png"/>

      </fig>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F9" specific-use="star"><?xmltex \currentcnt{9}?><?xmltex \def\figurename{Figure}?><label>Figure 9</label><caption><p id="d1e12996"><bold>(a)</bold> The solution of the extended quadratic model <inline-formula><mml:math id="M697" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with parameters <inline-formula><mml:math id="M698" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>EFS</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M699" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.35 <inline-formula><mml:math id="M700" 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> and <inline-formula><mml:math id="M701" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>EFS</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M702" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 2.8 <inline-formula><mml:math id="M703" 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>, limit (saturated) value <inline-formula><mml:math id="M704" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mtext>EFS</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">q</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M705" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 111 <inline-formula><mml:math id="M706" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and with initial errors <inline-formula><mml:math id="M707" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M708" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 3 <inline-formula><mml:math id="M709" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (blue), <inline-formula><mml:math id="M710" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M711" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.1 <inline-formula><mml:math id="M712" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (black), and <inline-formula><mml:math id="M713" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (red). <bold>(b)</bold> The solution of the extended power law <inline-formula><mml:math id="M714" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with the coefficient <inline-formula><mml:math id="M715" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>EFS</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M716" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.93 <inline-formula><mml:math id="M717" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:msup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><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>, exponent <inline-formula><mml:math id="M718" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>EFS</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M719" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.21, limit (saturated) value <inline-formula><mml:math id="M720" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mtext>EFS</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">q</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M721" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 114 <inline-formula><mml:math id="M722" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and with initial errors <inline-formula><mml:math id="M723" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M724" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 3 <inline-formula><mml:math id="M725" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (blue), <inline-formula><mml:math id="M726" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M727" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.1 <inline-formula><mml:math id="M728" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (black), and <inline-formula><mml:math id="M729" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (red). Bar above parameters and limit value means averages over approximations of <inline-formula><mml:math id="M730" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M731" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from annual averages of the error growth rate <inline-formula><mml:math id="M732" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mtext>EFS</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the ECMWF forecasting system's 500 <inline-formula><mml:math id="M733" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">hPa</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> geopotential height values (Northern Hemisphere, 20–90<inline-formula><mml:math id="M734" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mo>∘</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>) calculated as differences between two operational forecasts issued with 1 d lag but valid on the same day.</p></caption>
        <?xmltex \igopts{width=483.69685pt}?><graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/15/4147/2022/gmd-15-4147-2022-f09.png"/>

      </fig>

      <p id="d1e13461">Despite these missing parts of the error growth <inline-formula><mml:math id="M735" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mtext>EFS</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, Bednář
et al. (2021) showed that the extended quadratic
model <inline-formula><mml:math id="M736" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E21"/>) is more accurate than the extended exponential growth
(solution of <inline-formula><mml:math id="M737" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). Because <inline-formula><mml:math id="M738" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mtext>EFS</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> calculated in
the abovementioned way should be insensitive to any model error which therefore can not affect the
error growth, the extended quadratic model parameter <inline-formula><mml:math id="M739" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi></mml:math></inline-formula> describes the effect of small-scale
processes, which justifies considering the error growth rate <inline-formula><mml:math id="M740" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mtext>EFS</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for all
annual averages as scale-dependent and also approximating it by the extended power law
<inline-formula><mml:math id="M741" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E19"/>). The quadratic model <inline-formula><mml:math id="M742" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
(Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E22"/>) and the power law <inline-formula><mml:math id="M743" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E17"/>) cannot be used due to
the lack of an early part of the error growth <inline-formula><mml:math id="M744" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mtext>EFS</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The extended power law
<inline-formula><mml:math id="M745" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E19"/>) matches well with the annual averages of the error growth
rate <inline-formula><mml:math id="M746" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mtext>EFS</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the ECMWF forecasting system (Fig. 5) with the values of the
exponent <inline-formula><mml:math id="M747" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mtext>EFS</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> displayed in Fig. 6b
(<inline-formula><mml:math id="M748" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>EFS</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M749" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.21 <inline-formula><mml:math id="M750" display="inline"><mml:mo>±</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.07), the value of the coefficient
<inline-formula><mml:math id="M751" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mtext>EFS</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> shown in Fig. 6a
(<inline-formula><mml:math id="M752" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>EFS</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M753" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.93 <inline-formula><mml:math id="M754" display="inline"><mml:mo>±</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.18 <inline-formula><mml:math id="M755" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.21</mml:mn></mml:msup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><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>), and with the limit (saturated) values <inline-formula><mml:math id="M756" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>EFS</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> displayed in
Fig. 8 (<inline-formula><mml:math id="M757" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mtext>EFS</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M758" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 114 <inline-formula><mml:math id="M759" display="inline"><mml:mo>±</mml:mo></mml:math></inline-formula> 7 <inline-formula><mml:math id="M760" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). Exponents
<inline-formula><mml:math id="M761" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mtext>EFS</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, coefficients <inline-formula><mml:math id="M762" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mtext>EFS</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and limit values
<inline-formula><mml:math id="M763" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>EFS</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> do not have significant trends over the years (Figs. 6
and 8). The extended quadratic model <inline-formula><mml:math id="M764" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E20"/>) approximates annual
averages of the error growth rate <inline-formula><mml:math id="M765" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mtext>EFS</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the ECMWF forecasting system
(Fig. 5) with the values of the parameter <inline-formula><mml:math id="M766" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mtext>EFS</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> shown in Fig. 7a
(<inline-formula><mml:math id="M767" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>EFS</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M768" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.35 <inline-formula><mml:math id="M769" display="inline"><mml:mo>±</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.04 <inline-formula><mml:math id="M770" 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>), the value of the
parameter <inline-formula><mml:math id="M771" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mtext>EFS</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> displayed in Fig. 7b
(<inline-formula><mml:math id="M772" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>EFS</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M773" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 2.8 <inline-formula><mml:math id="M774" display="inline"><mml:mo>±</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.9 <inline-formula><mml:math id="M775" 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">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>), and with the limit
(saturated) values <inline-formula><mml:math id="M776" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>EFS</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">q</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> displayed in Fig. 8
(<inline-formula><mml:math id="M777" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mtext>EFS</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">q</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M778" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 111 <inline-formula><mml:math id="M779" display="inline"><mml:mo>±</mml:mo></mml:math></inline-formula> 7 <inline-formula><mml:math id="M780" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). Again, parameters
<inline-formula><mml:math id="M781" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mtext>EFS</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M782" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mtext>EFS</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and limit values <inline-formula><mml:math id="M783" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>EFS</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">q</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> do
not have significant trends over the years (Figs. 7 and 8). The approximations by the extended
quadratic model <inline-formula><mml:math id="M784" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the extended power law <inline-formula><mml:math id="M785" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
differ in parts where data are not available (Fig. 5). The limit values
<inline-formula><mml:math id="M786" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>EFS</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and initial errors <inline-formula><mml:math id="M787" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>EFS</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the extended
power law are greater than the limit values <inline-formula><mml:math id="M788" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>EFS</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">q</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and initial errors
<inline-formula><mml:math id="M789" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>EFS</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">q</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the extended quadratic model (Figs. 5 and 8). If we set the initial
errors of both approximations to the same value, the error growth of the extended quadratic model
<inline-formula><mml:math id="M790" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>EFS</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">q</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> approximation would grow faster and would reach the limit value
<inline-formula><mml:math id="M791" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>EFS</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> earlier than the error growth of the power law
<inline-formula><mml:math id="M792" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>EFS</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">w</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>. This difference is more significant when <inline-formula><mml:math id="M793" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Of
particular interest is the limit of predictability. We, therefore, study the time when the error
<inline-formula><mml:math id="M794" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> reaches 95 % of the limit error <inline-formula><mml:math id="M795" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the size of the initial error
<inline-formula><mml:math id="M796" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M797" display="inline"><mml:mo>≈</mml:mo></mml:math></inline-formula> 3 <inline-formula><mml:math id="M798" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which is an accepted value for current global operational numerical weather prediction (NWP)
models (Zhang et al., 2019). The limit time is 14 <inline-formula><mml:math id="M799" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the extended quadratic model
<inline-formula><mml:math id="M800" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mtext>EFS</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">q</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> when using the abovementioned parameter values for
<inline-formula><mml:math id="M801" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>EFS</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M802" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>EFS</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and
<inline-formula><mml:math id="M803" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mtext>EFS</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">q</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Fig. 9a). For the extended power law
<inline-formula><mml:math id="M804" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mtext>EFS</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">w</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>, using the above listed values for the exponent
<inline-formula><mml:math id="M805" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>EFS</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, coefficient <inline-formula><mml:math id="M806" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>EFS</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and limit values
<inline-formula><mml:math id="M807" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mtext>EFS</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, it is 15 <inline-formula><mml:math id="M808" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Fig. 9b). When the size of the
initial error <inline-formula><mml:math id="M809" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is reduced to <inline-formula><mml:math id="M810" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M811" display="inline"><mml:mo>≈</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.1 <inline-formula><mml:math id="M812" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which is realistic for the
current global experimental NWP models (Zhang et al., 2019), this limit time is 15 <inline-formula><mml:math id="M813" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the
extended quadratic model <inline-formula><mml:math id="M814" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mtext>EFS</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">q</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> (Fig. 9a), and 18 <inline-formula><mml:math id="M815" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for
the extended power law <inline-formula><mml:math id="M816" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mtext>EFS</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">w</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> (Fig. 9b). Both models have an
intrinsic predictability limit even if the size of the initial error <inline-formula><mml:math id="M817" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which is
15 <inline-formula><mml:math id="M818" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the extended quadratic model (Fig. 9a) and 22 <inline-formula><mml:math id="M819" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the extended power law
<inline-formula><mml:math id="M820" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mtext>EFS</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">w</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> (Fig. 9b).</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S5" sec-type="conclusions">
  <label>5</label><title>Conclusion and discussion</title>
      <p id="d1e14723">We designed a three-level (three-scale) system (L05-3; Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E12"/>–<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E15"/>) with the parameters <inline-formula><mml:math id="M821" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">390</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M822" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">13</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M823" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M824" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">15</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M825" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
<inline-formula><mml:math id="M826" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M827" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M828" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M829" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">20</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M830" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. These parameters were chosen in such a way that all levels behave chaotically, i.e., the
largest Lyapunov exponents of each level is positive, and that all levels have a significant difference in amplitudes and fluctuation rates
(Fig. 1). In this system, the error growth rates <inline-formula><mml:math id="M831" 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:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the error growths as a function of time <inline-formula><mml:math id="M832" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> were calculated
for the system as a whole (<inline-formula><mml:math id="M833" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and for the different levels (<inline-formula><mml:math id="M834" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</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:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. We fitted the numerically obtained results by the power law
<inline-formula><mml:math id="M835" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E17"/>), the extended power law <inline-formula><mml:math id="M836" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E19"/>), the quadratic hypothesis
<inline-formula><mml:math id="M837" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E22"/>), the extended quadratic hypothesis <inline-formula><mml:math id="M838" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E20"/>), and their corresponding time
integrations <inline-formula><mml:math id="M839" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Without the saturation terms <inline-formula><mml:math id="M840" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> both the power law and the quadratic hypothesis fail to provide good fits for
larger errors or longer times (Figs. 2 and 3) but are reasonable for the early parts of error growth when the initial error is small. Indeed, with our
type of numerical analysis, we are unable to reach the very small scales where the error growth rate saturates at the proper Lyapunov exponent of the
system which we estimate to be about 2.5 <inline-formula><mml:math id="M841" 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> but instead are faced by an overshooting of the initial error growth.</p>
      <p id="d1e15073">The quadratic hypothesis does not provide an as good a fit as the extended power law does. Its parameter <inline-formula><mml:math id="M842" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi></mml:math></inline-formula> that according to Zhang et al. (2019) and Zhang
and Sun (2020) should describe the upscale error growth rate from small-scale processes could not be identified or described in the L05-3 system. In
contrast, the extended power law <inline-formula><mml:math id="M843" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M844" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with the exponent <inline-formula><mml:math id="M845" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.47</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the coefficient
<inline-formula><mml:math id="M846" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.46</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M847" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">units</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.47</mml:mn></mml:msup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><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>), and <inline-formula><mml:math id="M848" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">7.36</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> best describes the error growth rate <inline-formula><mml:math id="M849" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mtext>tot</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the error growth
<inline-formula><mml:math id="M850" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mtext>tot</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the L05-3 system on the whole range of times and error magnitudes. The Brisch and Kantz (2019) definition of the exponent
<inline-formula><mml:math id="M851" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> was confirmed and extended to cases when <inline-formula><mml:math id="M852" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>≠</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M853" display="inline"><mml:mi>c</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the ratio of the rapidness of a smaller scale compared to the rapidness
of a larger scale) and <inline-formula><mml:math id="M854" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>≠</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M855" display="inline"><mml:mi>b</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the ratio of a smaller-scale amplitude compared to a larger-scale amplitude) for <inline-formula><mml:math id="M856" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. It was shown that the coefficient <inline-formula><mml:math id="M857" display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula> determines the degree of the system's coupling because the same value of
the exponent <inline-formula><mml:math id="M858" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is valid for the same system with and without coupling.</p>
      <p id="d1e15328">We also checked the appropriateness of the extended quadratic hypothesis and the extended power law to describe the error growth rate
<inline-formula><mml:math id="M859" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mtext>EFS</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the error growth over time <inline-formula><mml:math id="M860" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mtext>EFS</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the ECMWF forecasting system's 500 <inline-formula><mml:math id="M861" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">hPa</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> geopotential height
values over the 1986 to 2011 period. Their behaviors differ in parts where data are not available (Fig. 5), while they agree quite well and both
describe the numerical observations on the main part of the data. Therefore, it is not possible to assess which approximation is the more appropriate
one for the description of the entire length of <inline-formula><mml:math id="M862" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mtext>EFS</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M863" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mtext>EFS</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from the initial to the limit (saturated)
error. One might argue, however, that because we can observe the similarities of the differences between the data and
the approximations in both systems (<inline-formula><mml:math id="M864" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mtext>EFS</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mtext>teor</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mtext>EFS</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mtext>EFS</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">q</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Fig. 8) and <inline-formula><mml:math id="M865" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>tot</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>tot</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>tot</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">q</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>;
<inline-formula><mml:math id="M866" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mtext>teor</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mtext>EFS</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Fig. 7) and <inline-formula><mml:math id="M867" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>tot</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), the extended power law <inline-formula><mml:math id="M868" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is also a valid description of the ECMWF forecasting
system. From the average of the fit parameters over many years we calculate that the intrinsic limit to predictability is 22 <inline-formula><mml:math id="M869" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the
idealized case of perfect initial conditions, which is in nice agreement with Krishnamurthy (2019).</p>
</sec>

      
      </body>
    <back><notes notes-type="codedataavailability"><title>Code and data availability</title>

      <p id="d1e15598">The ECMWF forecasting system dataset was obtained from the personal repository of Linus Magnusson (Magnusson, 2013). The L05-3 system dataset, products from the ECMWF forecasting system dataset, codes, and figures were conducted in Wolfram Mathematica, and they are permanently stored at <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.17605/OSF.IO/2GC9J" ext-link-type="DOI">10.17605/OSF.IO/2GC9J</ext-link> (Bednář, 2021).</p>
  </notes><notes notes-type="authorcontribution"><title>Author contributions</title>

      <p id="d1e15607">HB proposed the idea, carried out the experiments, and wrote the paper. HK supervised the study and co-authored the paper.</p>
  </notes><notes notes-type="competinginterests"><title>Competing interests</title>

      <p id="d1e15613">The contact author has declared that neither they nor their co-author has any competing interests.</p>
  </notes><notes notes-type="disclaimer"><title>Disclaimer</title>

      <p id="d1e15619">Publisher's note: Copernicus Publications remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations.</p>
  </notes><ack><title>Acknowledgements</title><p id="d1e15625">The authors are grateful to Linus Magnusson for offering a dataset (ECMWF forecasting system) from his personal repository.</p></ack><notes notes-type="financialsupport"><title>Financial support</title>

      <p id="d1e15630">This research has been supported by the Czech Science Foundation (grant no. 19-16066S).<?xmltex \hack{\newline}?><?xmltex \hack{\newline}?>The article processing charges for this open-access <?xmltex \notforhtml{\newline}?> publication were covered by the Max Planck Society.</p>
  </notes><notes notes-type="reviewstatement"><title>Review statement</title>

      <p id="d1e15641">This paper was edited by Ignacio Pisso and reviewed by two anonymous referees.</p>
  </notes><ref-list>
    <title>References</title>

      <ref id="bib1.bib1"><label>1</label><?label 1?><mixed-citation>Anonymous Referee #1:  Comment on gmd-2021-256, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5194/gmd-2021-256-RC1" ext-link-type="DOI">10.5194/gmd-2021-256-RC1</ext-link>, 2021.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib2"><label>2</label><?label 1?><mixed-citation>Aurell, E., Boffetta, G., Crisanti, A., Paladin, G., and Vulpiani, A.:
Growth of noninfinitesimal perturbations in turbulence, Phys. Rev. Lett., 77, 1262, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.1262" ext-link-type="DOI">10.1103/PhysRevLett.77.1262</ext-link> 1996.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib3"><label>3</label><?label 2?><mixed-citation>Aurell, E., Boffetta, G., Crisanti, A., Paladin, G., and Vulpiani, A.:
Predictability in the large: an extension of the concept of Lyapunov exponent, J. Phys. A-Math. Gen., 30, 1–26, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1088/0305-4470/30/1/003" ext-link-type="DOI">10.1088/0305-4470/30/1/003</ext-link>, 1997.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib4"><label>4</label><?label 1?><mixed-citation>Bednář, H.: Prediction error growth in a more realistic atmospheric toy model with three spatiotemporal scales, OSF [code and data set] <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.17605/OSF.IO/2GC9J" ext-link-type="DOI">10.17605/OSF.IO/2GC9J</ext-link>, 2021.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib5"><label>5</label><?label 3?><mixed-citation>Bednář, H., Raidl, A., and Mikšovský, J.:
Initial Error Growth and Predictability of Chaotic Low-dimensional Atmospheric Model, IJAC, 11, 256–264, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1007/s11633-014-0788-3" ext-link-type="DOI">10.1007/s11633-014-0788-3</ext-link> 2014.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib6"><label>6</label><?label 4?><mixed-citation>Bednář, H., Raidl, A., and Mikšovský, J.: Recalculation of error growth models' parameters for the ECMWF forecast system, Geosci. Model Dev., 14, 7377–7389, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5194/gmd-14-7377-2021" ext-link-type="DOI">10.5194/gmd-14-7377-2021</ext-link>, 2021.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib7"><label>7</label><?label 5?><mixed-citation>Boffetta, G., Giuliani, P., Paladin, G., and Vulpiani, A.:
An Extension of the Lyapunov Analysis for the Predictability Problem, J. Atmos. Sci., 23, 3409–3416, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1175/1520-0469(1998)055&lt;3409:AEOTLA&gt;2.0.CO;2" ext-link-type="DOI">10.1175/1520-0469(1998)055&lt;3409:AEOTLA&gt;2.0.CO;2</ext-link> 1998.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib8"><label>8</label><?label 6?><mixed-citation>Brisch, J. and Kantz, H.:
Power law error growth in multi-hierarchical chaotic system-a dynamical mechanism for finite prediction horizon, New J. Phys., 21, 1–7, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1088/1367-2630/ab3b4c" ext-link-type="DOI">10.1088/1367-2630/ab3b4c</ext-link> 2019.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib9"><label>9</label><?label 7?><mixed-citation>Cencini, M. and Vulpiani, A: Finite Size Lyapunov Exponent: Review on Applications, J. Phys. A, 46, 254019, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1088/1751-8113/46/25/254019" ext-link-type="DOI">10.1088/1751-8113/46/25/254019</ext-link> 2013.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib10"><label>10</label><?label 8?><mixed-citation>Dalcher, A. and Kalnay, E.:
Error growth and predictability in operational ECMWF analyses, Tellus A, 39, 474–491, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1111/j.1600-0870.1987.tb00322.x" ext-link-type="DOI">10.1111/j.1600-0870.1987.tb00322.x</ext-link> 1987.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib11"><label>11</label><?label 9?><mixed-citation>Harlim, J., Oczkowski, M., Yorke, J. A., Kalnay, E., and Hunt, B. R.:
Convex error growth patterns in a global weather model, Phys. Rev. Lett., 94, 228501, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.94.228501" ext-link-type="DOI">10.1103/PhysRevLett.94.228501</ext-link>, 2005.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib12"><label>12</label><?label 10?><mixed-citation>Krishnamurthy, V.:
Predictability of Weather and Climate, Earth Space Sci., 6, 1005–1318, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/2019EA000586" ext-link-type="DOI">10.1029/2019EA000586</ext-link> 2019.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib13"><label>13</label><?label 12?><mixed-citation>Lorenz, E. N.:
Deterministic nonperiodic flow, J. Atmos. Sci., 20, 130–141, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1175/1520-0469(1963)020&lt;0130:DNF&gt;2.0.CO;2" ext-link-type="DOI">10.1175/1520-0469(1963)020&lt;0130:DNF&gt;2.0.CO;2</ext-link> 1963.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib14"><label>14</label><?label 11?><mixed-citation>Lorenz, E. N.:
The predictability of a flow which possesses many scales of motion, Tellus, 21, 289–307, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1111/j.2153-3490.1969.tb00444.x" ext-link-type="DOI">10.1111/j.2153-3490.1969.tb00444.x</ext-link> 1969.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib15"><label>15</label><?label 13?><mixed-citation>Lorenz, E. N.:
Atmospheric predictability experiments with a large numerical model, Tellus, 34, 505–513, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1111/j.2153-3490.1982.tb01839.x" ext-link-type="DOI">10.1111/j.2153-3490.1982.tb01839.x</ext-link> 1982.
</mixed-citation></ref><?xmltex \hack{\newpage}?>
      <ref id="bib1.bib16"><label>16</label><?label 14?><mixed-citation>Lorenz, E. N.:
Predictability: a problem partly solved, in: Predictability of Weather and Climate, edited by: Palmer, T. and Hagedorn, R., Cambridge University Press, Cambridge, UK, 1–18, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1017/CBO9780511617652.004" ext-link-type="DOI">10.1017/CBO9780511617652.004</ext-link> 1996.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib17"><label>17</label><?label 15?><mixed-citation>Lorenz, E. N.:
Designing chaotic models, J. Atmos. Sci., 62, 1574–1587, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1175/JAS3430.1" ext-link-type="DOI">10.1175/JAS3430.1</ext-link> 2005.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib18"><label>18</label><?label 17?><mixed-citation>
Magnusson, L.: Factors Influencing Skill Improvements in the ECMWF Forecasting System, available from personal repository:  linus.magnusson@ecmwf.int [data set], 2013.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib19"><label>19</label><?label 16?><mixed-citation>Magnusson, L. and Kallen, E.:
Factors Influencing Skill Improvements in the ECMWF Forecasting System, Mon. Weather Rev., 141, 3142–3153, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1175/MWR-D-12-00318.1" ext-link-type="DOI">10.1175/MWR-D-12-00318.1</ext-link> 2013.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib20"><label>20</label><?label 18?><mixed-citation>Palmer, T. N., Döring, A., and Seregin, G.:
The real butterfly effect, Nonlinearity, 27, 9, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1088/0951-7715/27/9/R123" ext-link-type="DOI">10.1088/0951-7715/27/9/R123</ext-link>, 2014.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib21"><label>21</label><?label 19?><mixed-citation>Savijarvi, H.:
Error Growth in a Large Numerical Forecast System, Mon. Weather Rev., 123, 212–221, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1175/1520-0493(1995)123&lt;0212:EGIALN&gt;2.0.CO;2" ext-link-type="DOI">10.1175/1520-0493(1995)123&lt;0212:EGIALN&gt;2.0.CO;2</ext-link> 1995.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib22"><label>22</label><?label 20?><mixed-citation>Shukla, J.:
Seamless prediction of weather and climate: A new paradigm for modeling and prediction research, US NOAA Climate Test Bed Joint Seminar Series, NCEP, <uri>https://www.nws.noaa.gov/ost/climate/STIP/FY09CTBSeminars/shukla_021009.pdf</uri> (last access: 20 June 2021), 2009.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib23"><label>23</label><?label 21?><mixed-citation>
Sprott, J. C.:
Chaos and Time-series Analysis, Oxford University Press, New York, USA, 2006.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib24"><label>24</label><?label 22?><mixed-citation>Toth, Z. and Kalnay, E.:
Ensemble forecasting at NMC: The generation of perturbations, B. Am. Meteorol. Soc., 74, 2317–2330, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1175/1520-0477(1993)074&lt;2317:EFANTG&gt;2.0.CO;2" ext-link-type="DOI">10.1175/1520-0477(1993)074&lt;2317:EFANTG&gt;2.0.CO;2</ext-link> 1993.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib25"><label>25</label><?label 23?><mixed-citation>Toth, Z. and Kalnay, E.:
Ensemble forecasting at NCEP and the breeding method, Mon. Weather Rev., 12, 3297–3319, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1175/1520-0493(1997)125&lt;3297:EFANAT&gt;2.0.CO;2" ext-link-type="DOI">10.1175/1520-0493(1997)125&lt;3297:EFANAT&gt;2.0.CO;2</ext-link> 1997.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib26"><label>26</label><?label 25?><mixed-citation>Zhang, F. and Sun, Q.:
A New Theoretical Framework for Understanding Multiscale Atmospheric Predictability, J. Atmos. Sci., 77, 2297–2309, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1175/JAS-D-19-0271.1" ext-link-type="DOI">10.1175/JAS-D-19-0271.1</ext-link> 2020.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib27"><label>27</label><?label 24?><mixed-citation>Zhang, F., Sun, Q., Magnusson, L., Buizza, R., Lin, S. H., Chen J. H., and Emanuel K.:
What is the Predictability Limit of Multilatitude Weather, J. Atmos. Sci., 76, 1077–1091, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1175/JAS-D-18-0269.1" ext-link-type="DOI">10.1175/JAS-D-18-0269.1</ext-link> 2019.</mixed-citation></ref>

  </ref-list></back>
    <!--<article-title-html>Prediction error growth in a more realistic atmospheric toy model with three spatiotemporal scales</article-title-html>
<abstract-html/>
<ref-html id="bib1.bib1"><label>1</label><mixed-citation>
Anonymous Referee #1:  Comment on gmd-2021-256, <a href="https://doi.org/10.5194/gmd-2021-256-RC1" target="_blank">https://doi.org/10.5194/gmd-2021-256-RC1</a>, 2021.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib2"><label>2</label><mixed-citation>
Aurell, E., Boffetta, G., Crisanti, A., Paladin, G., and Vulpiani, A.:
Growth of noninfinitesimal perturbations in turbulence, Phys. Rev. Lett., 77, 1262, <a href="https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.1262" target="_blank">https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.1262</a> 1996.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib3"><label>3</label><mixed-citation>
Aurell, E., Boffetta, G., Crisanti, A., Paladin, G., and Vulpiani, A.:
Predictability in the large: an extension of the concept of Lyapunov exponent, J. Phys. A-Math. Gen., 30, 1–26, <a href="https://doi.org/10.1088/0305-4470/30/1/003" target="_blank">https://doi.org/10.1088/0305-4470/30/1/003</a>, 1997.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib4"><label>4</label><mixed-citation>
Bednář, H.: Prediction error growth in a more realistic atmospheric toy model with three spatiotemporal scales, OSF [code and data set] <a href="https://doi.org/10.17605/OSF.IO/2GC9J" target="_blank">https://doi.org/10.17605/OSF.IO/2GC9J</a>, 2021.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib5"><label>5</label><mixed-citation>
Bednář, H., Raidl, A., and Mikšovský, J.:
Initial Error Growth and Predictability of Chaotic Low-dimensional Atmospheric Model, IJAC, 11, 256–264, <a href="https://doi.org/10.1007/s11633-014-0788-3" target="_blank">https://doi.org/10.1007/s11633-014-0788-3</a> 2014.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib6"><label>6</label><mixed-citation>
Bednář, H., Raidl, A., and Mikšovský, J.: Recalculation of error growth models' parameters for the ECMWF forecast system, Geosci. Model Dev., 14, 7377–7389, <a href="https://doi.org/10.5194/gmd-14-7377-2021" target="_blank">https://doi.org/10.5194/gmd-14-7377-2021</a>, 2021.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib7"><label>7</label><mixed-citation>
Boffetta, G., Giuliani, P., Paladin, G., and Vulpiani, A.:
An Extension of the Lyapunov Analysis for the Predictability Problem, J. Atmos. Sci., 23, 3409–3416, <a href="https://doi.org/10.1175/1520-0469(1998)055&lt;3409:AEOTLA&gt;2.0.CO;2" target="_blank">https://doi.org/10.1175/1520-0469(1998)055&lt;3409:AEOTLA&gt;2.0.CO;2</a> 1998.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib8"><label>8</label><mixed-citation>
Brisch, J. and Kantz, H.:
Power law error growth in multi-hierarchical chaotic system-a dynamical mechanism for finite prediction horizon, New J. Phys., 21, 1–7, <a href="https://doi.org/10.1088/1367-2630/ab3b4c" target="_blank">https://doi.org/10.1088/1367-2630/ab3b4c</a> 2019.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib9"><label>9</label><mixed-citation>
Cencini, M. and Vulpiani, A: Finite Size Lyapunov Exponent: Review on Applications, J. Phys. A, 46, 254019, <a href="https://doi.org/10.1088/1751-8113/46/25/254019" target="_blank">https://doi.org/10.1088/1751-8113/46/25/254019</a> 2013.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib10"><label>10</label><mixed-citation>
Dalcher, A. and Kalnay, E.:
Error growth and predictability in operational ECMWF analyses, Tellus A, 39, 474–491, <a href="https://doi.org/10.1111/j.1600-0870.1987.tb00322.x" target="_blank">https://doi.org/10.1111/j.1600-0870.1987.tb00322.x</a> 1987.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib11"><label>11</label><mixed-citation>
Harlim, J., Oczkowski, M., Yorke, J. A., Kalnay, E., and Hunt, B. R.:
Convex error growth patterns in a global weather model, Phys. Rev. Lett., 94, 228501, <a href="https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.94.228501" target="_blank">https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.94.228501</a>, 2005.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib12"><label>12</label><mixed-citation>
Krishnamurthy, V.:
Predictability of Weather and Climate, Earth Space Sci., 6, 1005–1318, <a href="https://doi.org/10.1029/2019EA000586" target="_blank">https://doi.org/10.1029/2019EA000586</a> 2019.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib13"><label>13</label><mixed-citation>
Lorenz, E. N.:
Deterministic nonperiodic flow, J. Atmos. Sci., 20, 130–141, <a href="https://doi.org/10.1175/1520-0469(1963)020&lt;0130:DNF&gt;2.0.CO;2" target="_blank">https://doi.org/10.1175/1520-0469(1963)020&lt;0130:DNF&gt;2.0.CO;2</a> 1963.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib14"><label>14</label><mixed-citation>
Lorenz, E. N.:
The predictability of a flow which possesses many scales of motion, Tellus, 21, 289–307, <a href="https://doi.org/10.1111/j.2153-3490.1969.tb00444.x" target="_blank">https://doi.org/10.1111/j.2153-3490.1969.tb00444.x</a> 1969.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib15"><label>15</label><mixed-citation>
Lorenz, E. N.:
Atmospheric predictability experiments with a large numerical model, Tellus, 34, 505–513, <a href="https://doi.org/10.1111/j.2153-3490.1982.tb01839.x" target="_blank">https://doi.org/10.1111/j.2153-3490.1982.tb01839.x</a> 1982.

</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib16"><label>16</label><mixed-citation>
Lorenz, E. N.:
Predictability: a problem partly solved, in: Predictability of Weather and Climate, edited by: Palmer, T. and Hagedorn, R., Cambridge University Press, Cambridge, UK, 1–18, <a href="https://doi.org/10.1017/CBO9780511617652.004" target="_blank">https://doi.org/10.1017/CBO9780511617652.004</a> 1996.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib17"><label>17</label><mixed-citation>
Lorenz, E. N.:
Designing chaotic models, J. Atmos. Sci., 62, 1574–1587, <a href="https://doi.org/10.1175/JAS3430.1" target="_blank">https://doi.org/10.1175/JAS3430.1</a> 2005.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib18"><label>18</label><mixed-citation>
Magnusson, L.: Factors Influencing Skill Improvements in the ECMWF Forecasting System, available from personal repository:  linus.magnusson@ecmwf.int [data set], 2013.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib19"><label>19</label><mixed-citation>
Magnusson, L. and Kallen, E.:
Factors Influencing Skill Improvements in the ECMWF Forecasting System, Mon. Weather Rev., 141, 3142–3153, <a href="https://doi.org/10.1175/MWR-D-12-00318.1" target="_blank">https://doi.org/10.1175/MWR-D-12-00318.1</a> 2013.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib20"><label>20</label><mixed-citation>
Palmer, T. N., Döring, A., and Seregin, G.:
The real butterfly effect, Nonlinearity, 27, 9, <a href="https://doi.org/10.1088/0951-7715/27/9/R123" target="_blank">https://doi.org/10.1088/0951-7715/27/9/R123</a>, 2014.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib21"><label>21</label><mixed-citation>
Savijarvi, H.:
Error Growth in a Large Numerical Forecast System, Mon. Weather Rev., 123, 212–221, <a href="https://doi.org/10.1175/1520-0493(1995)123&lt;0212:EGIALN&gt;2.0.CO;2" target="_blank">https://doi.org/10.1175/1520-0493(1995)123&lt;0212:EGIALN&gt;2.0.CO;2</a> 1995.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib22"><label>22</label><mixed-citation>
Shukla, J.:
Seamless prediction of weather and climate: A new paradigm for modeling and prediction research, US NOAA Climate Test Bed Joint Seminar Series, NCEP, <a href="https://www.nws.noaa.gov/ost/climate/STIP/FY09CTBSeminars/shukla_021009.pdf" target="_blank"/> (last access: 20 June 2021), 2009.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib23"><label>23</label><mixed-citation>
Sprott, J. C.:
Chaos and Time-series Analysis, Oxford University Press, New York, USA, 2006.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib24"><label>24</label><mixed-citation>
Toth, Z. and Kalnay, E.:
Ensemble forecasting at NMC: The generation of perturbations, B. Am. Meteorol. Soc., 74, 2317–2330, <a href="https://doi.org/10.1175/1520-0477(1993)074&lt;2317:EFANTG&gt;2.0.CO;2" target="_blank">https://doi.org/10.1175/1520-0477(1993)074&lt;2317:EFANTG&gt;2.0.CO;2</a> 1993.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib25"><label>25</label><mixed-citation>
Toth, Z. and Kalnay, E.:
Ensemble forecasting at NCEP and the breeding method, Mon. Weather Rev., 12, 3297–3319, <a href="https://doi.org/10.1175/1520-0493(1997)125&lt;3297:EFANAT&gt;2.0.CO;2" target="_blank">https://doi.org/10.1175/1520-0493(1997)125&lt;3297:EFANAT&gt;2.0.CO;2</a> 1997.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib26"><label>26</label><mixed-citation>
Zhang, F. and Sun, Q.:
A New Theoretical Framework for Understanding Multiscale Atmospheric Predictability, J. Atmos. Sci., 77, 2297–2309, <a href="https://doi.org/10.1175/JAS-D-19-0271.1" target="_blank">https://doi.org/10.1175/JAS-D-19-0271.1</a> 2020.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib27"><label>27</label><mixed-citation>
Zhang, F., Sun, Q., Magnusson, L., Buizza, R., Lin, S. H., Chen J. H., and Emanuel K.:
What is the Predictability Limit of Multilatitude Weather, J. Atmos. Sci., 76, 1077–1091, <a href="https://doi.org/10.1175/JAS-D-18-0269.1" target="_blank">https://doi.org/10.1175/JAS-D-18-0269.1</a> 2019.
</mixed-citation></ref-html>--></article>
