<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing with OASIS Tables v3.0 20080202//EN" "https://jats.nlm.nih.gov/nlm-dtd/publishing/3.0/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">
  <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-19-10821-2026</article-id><title-group><article-title>Development and improvement of a nonhydrostatic spectral model using non-constant coefficient semi-implicit and vertically conservative semi-Lagrangian schemes</article-title><alt-title>Development and improvement of a nonhydrostatic spectral model</alt-title>
      </title-group>
      <contrib-group>
        <contrib contrib-type="author" corresp="yes" rid="aff1">
          <name><surname>Yoshimura</surname><given-names>Hiromasa</given-names></name>
          <email>hyoshimu@mri-jma.go.jp</email>
        <ext-link>https://orcid.org/0009-0004-2343-5514</ext-link></contrib>
        <aff id="aff1"><label>1</label><institution>Meteorological Research Institute, Japan Meteorological Agency, 1-1 Nagamine, Tsukuba, Ibaraki 305-0052, Japan</institution>
        </aff>
      </contrib-group>
      <author-notes><corresp id="corr1">Hiromasa Yoshimura (hyoshimu@mri-jma.go.jp)</corresp></author-notes><pub-date><day>13</day><month>November</month><year>2026</year></pub-date>
      
      <volume>19</volume>
      <issue>21</issue>
      <fpage>10821</fpage><lpage>10848</lpage>
      <history>
        <date date-type="received"><day>15</day><month>December</month><year>2025</year></date>
           <date date-type="rev-request"><day>19</day><month>February</month><year>2026</year></date>
           <date date-type="rev-recd"><day>4</day><month>October</month><year>2026</year></date>
           <date date-type="accepted"><day>12</day><month>October</month><year>2026</year></date>
      </history>
      <permissions>
        <copyright-statement>Copyright: © 2026 Hiromasa Yoshimura</copyright-statement>
        <copyright-year>2026</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/19/10821/2026/gmd-19-10821-2026.html">This article is available from https://gmd.copernicus.org/articles/19/10821/2026/gmd-19-10821-2026.html</self-uri><self-uri xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/19/10821/2026/gmd-19-10821-2026.pdf">The full text article is available as a PDF file from https://gmd.copernicus.org/articles/19/10821/2026/gmd-19-10821-2026.pdf</self-uri>
      <abstract><title>Abstract</title>

      <p id="d2e78">A two-dimensional <inline-formula><mml:math id="M1" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>–<inline-formula><mml:math id="M2" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> nonhydrostatic spectral model has been developed as a simpler framework for testing and improving numerical methods before they are applied to the corresponding global model. The model uses non-constant coefficient semi-implicit and vertically conservative semi-Lagrangian schemes and is computationally efficient by allowing for long timesteps in simulations. The model incorporates several improvements related to free-slip surface boundary conditions, prognostic variables in spectral space, and the semi-Lagrangian and semi-implicit schemes. These improvements enhance numerical stability, especially in cases with steep orography, and improve model results. The model was tested with various test cases (e.g., mountain wave test cases), confirming that a single recalculation of the non-constant coefficient linear terms is usually sufficient to stably solve the equations associated with the non-constant coefficient semi-implicit scheme, even in the cases with a steep mountain with an average slope of 45°. The model also ran stably even in the case of an extremely steep mountain with an average slope of 63.4° by performing several iterations using the preconditioned general conjugate residual method. In all these cases, good results were obtained with long timesteps.</p>
  </abstract>
    </article-meta>
  </front>
<body>
      

<sec id="Ch1.S1" sec-type="intro">
  <label>1</label><title>Introduction</title>
      <p id="d2e104">The global spectral atmospheric models used by the Japan Meteorological Agency (JMA, 2019) and Meteorological Research Institute (MRI; Yukimoto et al., 2011, 2019) are hydrostatic. In these models, a two-time-level, semi-implicit semi-Lagrangian scheme is used to allow for longer timesteps, and a vertically conservative semi-Lagrangian scheme (Yoshimura and Matsumura, 2003; Katayama et al., 2005; Yoshimura and Matsumura, 2005; Yukimoto et al., 2011) is used to improve conservation, which reduces the temperature biases around the tropical tropopause (Yoshimura and Matsumura, 2003). The reduced grid (Juang, 2004; Miyamoto, 2006, 2009) is used to save computational cost in the JMA atmospheric model and has also been introduced into the latest development version of the MRI atmospheric model. The advantage of the spectral method used in the hydrostatic models is that, in addition to its good accuracy, the linear simultaneous equations associated with the semi-implicit scheme can be easily solved in spectral space without iterations.</p>
      <p id="d2e107">We have been developing a nonhydrostatic option for high-resolution simulations with the MRI global atmospheric spectral model. The prognostic equations used in the nonhydrostatic option are essentially the same as those in the ALADIN-NH (Non-Hydrostatic version of Aire Limitée Adaptation Dynamique Développement InterNational) nonhydrostatic limited-area spectral model (Bubnová et al., 1995; Geleyn and Bubnová, 1997; Bénard et al., 2010) and those in the nonhydrostatic version of the IFS (Integrated Forecasting System) global spectral model (Wedi and Smolarkiewicz, 2009; Dueben et al., 2020; Wedi et al., 2020; Vivoda et al., 2026). However, there are some differences in time discretization. In the ALADIN-NH and nonhydrostatic IFS, an iterative centered-implicit (ICI) scheme (Bénard, 2003; Bénard et al., 2005, 2010; Vivoda et al., 2026) is used to improve model stability, where all terms are recalculated at each iteration. In the nonhydrostatic option in the MRI model, a non-constant coefficient semi-implicit scheme is used, where only non-constant coefficient linear terms are recalculated at each iteration and, therefore, the computational cost at each iteration is lower than that for the ICI scheme. A fast-convergent iterative method, such as the general conjugate residual (GCR) method (Eisenstat et al., 1983) with preconditioning, can be used to solve the linear equations associated with the non-constant coefficient semi-implicit scheme in grid models (e.g., Skamarock et al., 1997; Thomas et al., 2003) and can also be used in the spectral model (Yoshimura, 2012, Appendix E3). A single-recalculation method can also be used in the spectral model (Appendix E2).</p>
      <p id="d2e110">The early version of the nonhydrostatic option in the previous MRI global spectral model was briefly described by Yoshimura (2012). An option using double Fourier series instead of spherical harmonics as spectral basis functions was also developed to improve the computational efficiency at high resolution (Yoshimura and Matsumura, 2005; Yoshimura, 2012, 2022). Nakano et al. (2017) presented the results of typhoon simulations in the previous MRI model using the early versions of the nonhydrostatic and double Fourier series options (DFSM), along with the results of the Nonhydrostatic ICosahedral Atmospheric Model (NICAM) and the Multi-Scale Simulator for the Geoenvironment (MSSG).</p>
      <p id="d2e113">To test and improve the nonhydrostatic spectral dynamical core, we have developed a nonhydrostatic spectral two-dimensional <inline-formula><mml:math id="M3" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>–<inline-formula><mml:math id="M4" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> model. The model is essentially a two-dimensional version of the corresponding three-dimensional global model using spherical harmonics or double Fourier series. It provides a simpler framework for testing and improving numerical methods before they are applied to the global model. In the model, several modifications have been introduced, including improved treatment of the free-slip surface boundary conditions, modification of the prognostic variables in spectral space, and improvements related to the semi-Lagrangian and the semi-implicit schemes. The model was tested with various test cases, which confirmed that these modifications enhance the numerical stability in cases with steep orography, reduce the number of iterations needed to solve the non-constant coefficient semi-implicit equations, and improve the results.</p>
      <p id="d2e131">The remainder of the paper is organized as follows. Section 2 describes the prognostic equations for the global and the two-dimensional <inline-formula><mml:math id="M5" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>–<inline-formula><mml:math id="M6" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> nonhydrostatic spectral models and how to discretize these, including the free-slip surface boundary conditions. Section 3 shows the results of test cases of the two-dimensional <inline-formula><mml:math id="M7" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>–<inline-formula><mml:math id="M8" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> nonhydrostatic model. Section 4 presents the conclusions of this study and considers future work.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S2">
  <label>2</label><title>Nonhydrostatic model</title>
      <p id="d2e170">Section 2.1 and Appendix A describe the mass-based hybrid vertical coordinate system. Section 2.2 describes the prognostic equations for the global and two-dimensional <inline-formula><mml:math id="M9" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>–<inline-formula><mml:math id="M10" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> nonhydrostatic spectral models, and Sect. 2.3 describes an improvement related to the free-slip surface boundary conditions. Section 2.4 and 2.5 and Appendix C describe the temporal and vertical discretization of the prognostic equations. Section 2.6 describes the time-integration procedure, and Sect. 2.7 describes the computational cost of spectral transforms. Appendix B describes the vertically conservative semi-Lagrangian scheme including several improvements such as a spatially averaged Eulerian treatment of mountains and a semi-Lagrangian treatment of pressure change due to horizontal advection. Appendix D describes the spectral transform of the prognostic variables, and Appendix E shows how to solve the equations for the non-constant coefficient semi-implicit scheme. Appendix F describes the Rayleigh damping.</p>
<sec id="Ch1.S2.SS1">
  <label>2.1</label><title>Vertical coordinate</title>
      <p id="d2e194">A mass-based vertical coordinate (Simmons and Burridge, 1981; Laprise, 1992; Bubnová et al., 1995) is used. The hydrostatic pressure <inline-formula><mml:math id="M11" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:math></inline-formula> is given by 

            <disp-formula id="Ch1.E1" content-type="numbered"><label>1</label><mml:math id="M12" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M13" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a hybrid vertical coordinate and <inline-formula><mml:math id="M14" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the surface hydrostatic pressure. By discretizing Eq. (1) vertically, the hydrostatic pressure at the half level <inline-formula><mml:math id="M15" 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:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is given by

            <disp-formula id="Ch1.E2" content-type="numbered"><label>2</label><mml:math id="M16" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M17" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M18" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M19" display="inline"><mml:mi>K</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the number of vertical full levels. The full level <inline-formula><mml:math id="M20" display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> represents the vertical layer between <inline-formula><mml:math id="M21" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M22" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The hydrostatic pressure depth <inline-formula><mml:math id="M23" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at the full level <inline-formula><mml:math id="M24" display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> is given by
          

                <disp-formula id="Ch1.E3" specific-use="gather" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M25" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E3.4"><mml:mtd><mml:mtext>3a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E3.5"><mml:mtd><mml:mtext>3b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E3.6"><mml:mtd><mml:mtext>3c</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d2e684">An example of how to obtain <inline-formula><mml:math id="M26" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M27" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is shown in Appendix A, which is used in the two-dimensional <inline-formula><mml:math id="M28" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>–<inline-formula><mml:math id="M29" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> nonhydrostatic model in Sect. 3.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S2.SS2">
  <label>2.2</label><title>Nonhydrostatic equations</title>
      <p id="d2e749">The following prognostic equations are used, which are essentially the same as in Bubnová et al. (1995):

                <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M30" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E7"><mml:mtd><mml:mtext>4</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E8"><mml:mtd><mml:mtext>5</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E9"><mml:mtd><mml:mtext>6</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          

                <disp-formula id="Ch1.E10" specific-use="gather" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M31" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E10.11"><mml:mtd><mml:mtext>7a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">F</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E10.12"><mml:mtd><mml:mtext>7b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">F</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>m</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          

                <disp-formula id="Ch1.E13" specific-use="gather" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M32" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E13.14"><mml:mtd><mml:mtext>8a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E13.15"><mml:mtd><mml:mtext>8b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          

                <disp-formula id="Ch1.E16" specific-use="gather" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M33" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E16.17"><mml:mtd><mml:mtext>9a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">dln</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E16.18"><mml:mtd><mml:mtext>9b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          

                <disp-formula id="Ch1.E19" specific-use="gather" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M34" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E19.20"><mml:mtd><mml:mtext>10a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">dln</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E19.21"><mml:mtd><mml:mtext>10b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">π</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:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

                <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M35" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E22"><mml:mtd><mml:mtext>11</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E23"><mml:mtd><mml:mtext>12</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:munderover><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E24"><mml:mtd><mml:mtext>13</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>m</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M36" display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula> is time, <inline-formula><mml:math id="M37" display="inline"><mml:mi>p</mml:mi></mml:math></inline-formula> is pressure, <inline-formula><mml:math id="M38" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> is temperature, <inline-formula><mml:math id="M39" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi></mml:math></inline-formula> is horizontal wind, <inline-formula><mml:math id="M40" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula> is vertical wind, <inline-formula><mml:math id="M41" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is geopotential, <inline-formula><mml:math id="M42" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is surface geopotential, <inline-formula><mml:math id="M43" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is three-dimensional divergence, <inline-formula><mml:math id="M44" display="inline"><mml:mi>R</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the gas constant, <inline-formula><mml:math id="M45" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the specific heat capacity at a constant pressure, <inline-formula><mml:math id="M46" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the specific heat capacity at a constant volume, and <inline-formula><mml:math id="M47" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the horizontal gradient on constant <inline-formula><mml:math id="M48" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:math></inline-formula> surfaces. The Coriolis term is omitted in Eq. (7a).</p>
      <p id="d2e1579">Almost the same prognostic equations are often used in nonhydrostatic spectral models. An advantage of these equations is that they allow similar formulations to be used in hydrostatic and nonhydrostatic models. Another advantage of these equations is that they allow the simultaneous equations associated with the semi-implicit scheme to be efficiently solved in spectral models. In this paper, the prognostic equations are discretized in time using a semi-implicit scheme with constant coefficient and non-constant coefficient linear terms (Sect. 2.4 and 2.5). The prognostic variables in spectral space are selected to improve numerical stability (Sect. 2.5). The simultaneous equations associated with the constant-coefficient linear terms can be easily solved in spectral space (Step 3 in Sect. 2.6). By utilizing this solver, the simultaneous equations including the non-constant-coefficient linear terms can also be efficiently solved (Step 4 in Sect. 2.6).</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S2.SS3">
  <label>2.3</label><title>Improved treatment of the surface boundary conditions</title>
      <p id="d2e1590">Free-slip rigid surface boundary conditions can be written as follows (Bubnová et al., 1995; Geleyn and Bubnová, 1997; Bénard et al., 2010):

                <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M49" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E25"><mml:mtd><mml:mtext>14</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>g</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>g</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E26"><mml:mtd><mml:mtext>15</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>m</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>g</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          where the subscript s denotes the value at the surface, the subscript 1 denotes the value at the lowest full level <inline-formula><mml:math id="M50" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M51" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is assumed. Substituting Eq. (14) into Eq. (15) gives the following equation (Bubnová et al., 1995):

            <disp-formula id="Ch1.E27" content-type="numbered"><label>16</label><mml:math id="M52" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>m</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="2.0em">[</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></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:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="2.0em">]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M53" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M54" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula> are the horizontal axes, and <inline-formula><mml:math id="M55" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M56" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the <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> components of <inline-formula><mml:math id="M59" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, respectively. In spherical coordinates, <inline-formula><mml:math id="M60" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">cos</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M61" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M62" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the longitude, <inline-formula><mml:math id="M63" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the latitude, and <inline-formula><mml:math id="M64" display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the radius of the sphere. Equation (7) can be discretized at the lowest full level as follows:

            <disp-formula id="Ch1.E28" content-type="numbered"><label>17</label><mml:math id="M65" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mfenced close="}" open="{"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close="}" open="{"><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>m</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>m</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d2e2262">It can be considered that Eqs. (16) and (17) are simultaneous equations for variables <inline-formula><mml:math id="M66" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><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="M67" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Substituting Eq. (17) into Eq. (16) gives

            <disp-formula id="Ch1.E29" content-type="numbered"><label>18</label><mml:math id="M68" display="block"><mml:mrow><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>m</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo mathsize="2.0em" mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:mo mathsize="2.0em">[</mml:mo><mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>m</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo mathsize="2.0em">]</mml:mo><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathvariant="italic" mathsize="2.0em">}</mml:mo><mml:mo mathsize="2.0em">/</mml:mo><mml:mo mathvariant="italic" mathsize="2.0em">{</mml:mo><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo mathsize="2.0em" mathvariant="italic">}</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          Substituting Eq. (18) into Eq. (17) gives the equation for <inline-formula><mml:math id="M69" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d2e2703">In the two-dimensional <inline-formula><mml:math id="M70" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>–<inline-formula><mml:math id="M71" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> model, <inline-formula><mml:math id="M72" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M73" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Substituting Eq. (16) into Eq. (17) leads to
          

                <disp-formula id="Ch1.E30" specific-use="gather" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M74" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E30.31"><mml:mtd><mml:mtext>19a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></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>C</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></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:mi>U</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E30.32"><mml:mtd><mml:mtext>19b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M75" display="inline"><mml:mi>U</mml:mi></mml:math></inline-formula> contains the remaining terms independent of <inline-formula><mml:math id="M76" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The coefficient <inline-formula><mml:math id="M77" display="inline"><mml:mi>C</mml:mi></mml:math></inline-formula> is about 0.5 when the slope of a mountain is 45° and about 2.0 when the slope is 63.4°. Therefore, <inline-formula><mml:math id="M78" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> on the right side of Eq. (19a) should be treated with caution. It is considered best to convert Eq. (19a) into the following equation for use:

            <disp-formula id="Ch1.E33" content-type="numbered"><label>20</label><mml:math id="M79" 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>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          which is the same as the equation obtained by substituting Eq. (18) into Eq. (17).</p>
      <p id="d2e2956">In the previous nonhydrostatic option of the global MRI model, the following equation was used instead of Eq. (18):

            <disp-formula id="Ch1.E34" content-type="numbered"><label>21</label><mml:math id="M80" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>m</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>m</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d2e3028">The approximation in Eq. (21) is not fully consistent with the surface boundary condition in Eq. (15). It was found that the new method using Eqs. (18) and (17) gives better results than the previous method that uses Eqs. (21) and (17) (Sect. 3.2).</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S2.SS4">
  <label>2.4</label><title>Discretization with the non-constant coefficient semi-implicit semi-Lagrangian scheme</title>
      <p id="d2e3040">The prognostic equations (Eqs. 7–11) can be represented as follows:

            <disp-formula id="Ch1.E35" content-type="numbered"><label>22</label><mml:math id="M81" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>F</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>X</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M82" display="inline"><mml:mi>X</mml:mi></mml:math></inline-formula> represents the prognostic variables. By using the vertically conservative semi-Lagrangian scheme (Appendix B), the non-constant coefficient semi-implicit scheme, the Stable Extrapolation Two-Time-Level Scheme (SETTLS; Hortal, 2002), and second-order decentering (Rivest et al., 1994; Ritchie et al., 1995; Simmons and Temperton, 1997; Yukimoto et al., 2011; Yoshimura, 2022), Eq. (22) can be discretized in time as follows:
          

                <disp-formula id="Ch1.E36" specific-use="gather" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M83" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E36.37"><mml:mtd><mml:mtext>23a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E36.38"><mml:mtd><mml:mtext>23b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><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="M84" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M85" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> represent the constant and non-constant coefficient linear terms, respectively, obtained by linearizing <inline-formula><mml:math id="M86" display="inline"><mml:mi>F</mml:mi></mml:math></inline-formula>; <inline-formula><mml:math id="M87" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the timestep; the superscripts <inline-formula><mml:math id="M88" display="inline"><mml:mo>-</mml:mo></mml:math></inline-formula>, 0, and <inline-formula><mml:math id="M89" display="inline"><mml:mo>+</mml:mo></mml:math></inline-formula> are the past <inline-formula><mml:math id="M90" display="inline"><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, present <inline-formula><mml:math id="M91" display="inline"><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>t</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and future <inline-formula><mml:math id="M92" display="inline"><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> values, respectively; and the superscript <inline-formula><mml:math id="M93" display="inline"><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the future value <inline-formula><mml:math id="M94" display="inline"><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> extrapolated in time. The subscript D represents the departure point in calculating advection (Appendix B1). The non-constant coefficient linear terms are used because the third term on the right side of Eq. (7b) and the second term on the right side of Eq. (13) contain <inline-formula><mml:math id="M95" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as a coefficient and cannot be linearized as constant coefficient linear terms. Since these terms are related to sound waves, the semi-implicit scheme with non-constant coefficient linear terms is used to allow long timesteps. The parameter <inline-formula><mml:math id="M96" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi></mml:math></inline-formula> for second-order decentering is set to <inline-formula><mml:math id="M97" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> instead of 1.0. The parameter <inline-formula><mml:math id="M98" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi></mml:math></inline-formula> applied to <inline-formula><mml:math id="M99" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is similar to that used in the second-order three-time-level semi-implicit semi-Lagrangian scheme of Ritchie et al. (1995).</p>
      <p id="d2e3531">Equation (23a) can be rewritten as follows:

                <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M100" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.Ex1"><mml:mtd><mml:mtext>23a'</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:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.Ex2"><mml:mtd><mml:mtext>23c</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.Ex3"><mml:mtd><mml:mtext>23d</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          When <inline-formula><mml:math id="M101" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, Eq. (23a') becomes the centered second-order semi-implicit semi-Lagrangian formulation with SETTLS extrapolation applied to the nonlinear residual term <inline-formula><mml:math id="M102" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> at the departure point. In the formulation used here, the linear terms include not only <inline-formula><mml:math id="M103" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> but also <inline-formula><mml:math id="M104" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d2e3818">When no distinction is made between the departure and arrival points in order to examine temporal accuracy, Eq. (23a') can be rewritten using Eq. (23b) as follows:

            <disp-formula id="Ch1.E39" content-type="numbered"><label>23e</label><mml:math id="M105" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          The temporal weighting of the constant-coefficient linear terms in Eq. (23e) is the same as that used in the second-order decentering formulations presented in Eqs. (12) and (14) of Rivest et al. (1994) and Eq. (38) of Simmons and Temperton (1997).</p>
      <p id="d2e3963">Although the terms <inline-formula><mml:math id="M106" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at the departure point in Eq. (23a) contain time-extrapolated values, the combination of these terms is interpolative in time. When <inline-formula><mml:math id="M107" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, that is, <inline-formula><mml:math id="M108" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, these terms become <inline-formula><mml:math id="M109" display="inline"><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Here, <inline-formula><mml:math id="M110" display="inline"><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> represents a temporal interpolation between <inline-formula><mml:math id="M111" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M112" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math id="M113" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>; <inline-formula><mml:math id="M114" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is used here. Thus, the combination of SETTLS and second-order decentering with <inline-formula><mml:math id="M115" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which is a little larger than 1.0, can avoid time extrapolation, a potential source of instability. The use of  <inline-formula><mml:math id="M116" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can also enhance the stabilizing effect of the semi-implicit scheme by increasing the coefficient of <inline-formula><mml:math id="M117" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The results in Sect. 3.2 show that numerical stability is reduced when <inline-formula><mml:math id="M118" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi></mml:math></inline-formula> is changed from 1.2 to 1.0. The factor <inline-formula><mml:math id="M119" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi></mml:math></inline-formula> is applied only to the constant coefficient linear terms because its application to the non-constant coefficient linear terms does not improve numerical stability in the test cases in this paper.</p>
      <p id="d2e4256">In the vertically conservative semi-Lagrangian scheme (Appendix B), computation of the advection terms is divided into the horizontal and vertical directions, and the vertical transport (vertical remapping) is evaluated with a one-dimensional conservative semi-Lagrangian scheme (Appendices B2 and B3). The horizontal advection is calculated in the usual non-conservative way (Appendices B4 and B5), with several related improvements (Appendices B6–B8). A correction method (Priestley, 1993; Gravel and Staniforth, 1994) can be used for global conservation of mass and the tracers, but is not used here.</p>
      <p id="d2e4259">Equation (23a) can be converted as follows:
          

                <disp-formula id="Ch1.E40" specific-use="gather" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M120" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E40.41"><mml:mtd><mml:mtext>24a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msup><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>X</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E40.42"><mml:mtd><mml:mtext>24b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>X</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>≡</mml:mo><mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml: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="M121" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>X</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be calculated explicitly.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S2.SS5">
  <label>2.5</label><title>Discretization of the nonhydrostatic prognostic equations</title>
      <p id="d2e4492">Using the discretization of Eq. (24), Eqs. (7)–(11) are discretized in time as follows:

                <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M122" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E43"><mml:mtd><mml:mtext>25</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mfenced><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E44"><mml:mtd><mml:mtext>26</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          

                <disp-formula id="Ch1.E45" specific-use="gather" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M123" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E45.46"><mml:mtd><mml:mtext>27a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">R</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E45.47"><mml:mtd><mml:mtext>27b</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:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">R</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>≡</mml:mo><mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">F</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">F</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E45.48"><mml:mtd><mml:mtext>27c</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">G</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E45.49"><mml:mtd><mml:mtext>27d</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">G</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>≡</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E45.50"><mml:mtd><mml:mtext>27e</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">#</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">#</mml:mi></mml:msup><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">#</mml:mi></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          

                <disp-formula id="Ch1.E51" specific-use="gather" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M124" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E51.52"><mml:mtd><mml:mtext>28a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E51.53"><mml:mtd><mml:mtext>28b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E51.54"><mml:mtd><mml:mtext>28c</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msubsup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>g</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          

                <disp-formula id="Ch1.E55" specific-use="gather" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M125" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E55.56"><mml:mtd><mml:mtext>29a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E55.57"><mml:mtd><mml:mtext>29b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E55.58"><mml:mtd><mml:mtext>29c</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          

                <disp-formula id="Ch1.E59" specific-use="gather" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M126" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E59.60"><mml:mtd><mml:mtext>30a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E59.61"><mml:mtd><mml:mtext>30b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>≡</mml:mo><mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi mathvariant="normal">div</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi mathvariant="normal">div</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi mathvariant="normal">adv</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E59.62"><mml:mtd><mml:mtext>30c</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi mathvariant="normal">div</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi mathvariant="normal">adv</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E59.63"><mml:mtd><mml:mtext>30d</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E59.64"><mml:mtd><mml:mtext>30e</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:munderover><mml:msup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          

                <disp-formula id="Ch1.E65" specific-use="gather" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M127" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E65.66"><mml:mtd><mml:mtext>31a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E65.67"><mml:mtd><mml:mtext>31b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">explicit</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E65.68"><mml:mtd><mml:mtext>31c</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E65.69"><mml:mtd><mml:mtext>31d</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:munderover><mml:msup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M128" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">300</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> K, <inline-formula><mml:math id="M129" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">160</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> K, <inline-formula><mml:math id="M130" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><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> Pa, <inline-formula><mml:math id="M131" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the horizontal divergence, <inline-formula><mml:math id="M132" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is defined in Eq. (36b) below, and the subscript <inline-formula><mml:math id="M133" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes the two-dimensional horizontal departure point in calculating the horizontal advection (Appendices B2 and B3). The superscript <inline-formula><mml:math id="M134" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">#</mml:mi></mml:math></inline-formula> denotes the variables used for the non-constant coefficients in the semi-implicit scheme, and the present values <inline-formula><mml:math id="M135" display="inline"><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>t</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the variables are used. The explicitly calculated future value of <inline-formula><mml:math id="M136" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M137" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">explicit</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, is obtained from Eq. (B27) in Appendix B2. The variables <inline-formula><mml:math id="M138" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi mathvariant="normal">div</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M139" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi mathvariant="normal">adv</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are defined by Eqs. (C17b) and (C17c) in Appendix C, and <inline-formula><mml:math id="M140" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi mathvariant="normal">adv</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is calculated using the method provided in Appendix B7. <inline-formula><mml:math id="M141" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M142" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> represent the constant and non-constant coefficient linear terms of <inline-formula><mml:math id="M143" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">F</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, respectively. <inline-formula><mml:math id="M144" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M145" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> represent the constant coefficient linear terms of <inline-formula><mml:math id="M146" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M147" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi mathvariant="normal">div</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, respectively. <inline-formula><mml:math id="M148" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> represents the constant coefficient linear terms associated with <inline-formula><mml:math id="M149" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">explicit</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which are the same as the corresponding linear terms used in Ritchie et al. (1995). Equation (28) does not include linear terms for the semi-implicit scheme, which are included after Eq. (28) is converted to Eq. (35) below. The values of <inline-formula><mml:math id="M150" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> in Eq. (27c) and <inline-formula><mml:math id="M151" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> in Eq. (35) affect the numerical stability (e.g., Bénard et al., 2010). Using large <inline-formula><mml:math id="M152" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> and small <inline-formula><mml:math id="M153" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> tends to improve the numerical stability of the model. The effects of <inline-formula><mml:math id="M154" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M155" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M156" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi></mml:math></inline-formula> on numerical stability are examined in Sect. 3.2.</p>
      <p id="d2e6494">In Eqs. (10) and (30), <inline-formula><mml:math id="M157" display="inline"><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi></mml:math></inline-formula> is used as a prognostic variable instead of <inline-formula><mml:math id="M158" display="inline"><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:math></inline-formula>, which improves the numerical stability (Bénard et al., 2010). <inline-formula><mml:math id="M159" display="inline"><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi></mml:math></inline-formula> is approximately equal to <inline-formula><mml:math id="M160" display="inline"><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:math></inline-formula> when <inline-formula><mml:math id="M161" display="inline"><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:math></inline-formula> is small, but using <inline-formula><mml:math id="M162" display="inline"><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi></mml:math></inline-formula> instead of <inline-formula><mml:math id="M163" display="inline"><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:math></inline-formula> guarantees that <inline-formula><mml:math id="M164" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> remains positive because <inline-formula><mml:math id="M165" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">exp</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In Eqs. (9) and (29), <inline-formula><mml:math id="M166" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is used as a prognostic variable instead of <inline-formula><mml:math id="M167" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>, which also improves the numerical stability. When <inline-formula><mml:math id="M168" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is used as a prognostic variable, <inline-formula><mml:math id="M169" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is not included in the coefficient of the linear term in Eq. (29c). When <inline-formula><mml:math id="M170" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a prognostic variable, <inline-formula><mml:math id="M171" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is included in Eq. (29c), which can reduce the accuracy of the time integration of <inline-formula><mml:math id="M172" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Based on the results of various model tests, it appears that <inline-formula><mml:math id="M173" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> should be carefully and accurately integrated in time as compared with <inline-formula><mml:math id="M174" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M175" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula> to improve numerical stability.</p>
      <p id="d2e6675">Equation (27a) can be converted into the following:

                <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M176" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E70"><mml:mtd><mml:mtext>32</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">R</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E71"><mml:mtd><mml:mtext>33</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">k</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>×</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">k</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>×</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">R</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M177" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">k</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the vertical unit vector and <inline-formula><mml:math id="M178" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">k</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the horizontal rotation. In the <inline-formula><mml:math id="M179" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>–<inline-formula><mml:math id="M180" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> model, <inline-formula><mml:math id="M181" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is not used, and instead of Eq. (33), the following equation is used:

            <disp-formula id="Ch1.E72" content-type="numbered"><label>34</label><mml:math id="M182" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M183" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the wavenumber 0 component (i.e., the zonal mean; Appendix D).</p>
      <p id="d2e6959">Equation (28) is converted into the following:
          

                <disp-formula id="Ch1.E73" specific-use="gather" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M184" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E73.74"><mml:mtd><mml:mtext>35a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E73.75"><mml:mtd><mml:mtext>35b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="italic">#</mml:mi></mml:msup><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E73.76"><mml:mtd><mml:mtext>35c</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:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="italic">#</mml:mi></mml:msup><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="{" close=""><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced close="}" open=""><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E73.77"><mml:mtd><mml:mtext>35d</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="italic">#</mml:mi></mml:msup><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E73.78"><mml:mtd><mml:mtext>35e</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E73.79"><mml:mtd><mml:mtext>35f</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E73.80"><mml:mtd><mml:mtext>35g</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E73.81"><mml:mtd><mml:mtext>35h</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          where the linear terms are added using the discretization in Eq. (24). <inline-formula><mml:math id="M185" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M186" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the linearized terms of <inline-formula><mml:math id="M187" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M188" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, respectively, with constant coefficients. Furthermore, Eq. (35a) can be converted into the following:
          

                <disp-formula id="Ch1.E82" specific-use="gather" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M189" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E82.83"><mml:mtd><mml:mtext>36a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E82.84"><mml:mtd><mml:mtext>36b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="italic">#</mml:mi></mml:msup><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E82.85"><mml:mtd><mml:mtext>36c</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>≡</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="italic">#</mml:mi></mml:msup><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M190" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is used instead of <inline-formula><mml:math id="M191" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> as a prognostic variable in spectral space (Bénard et al., 2010), which leads to more stable calculations and enables fewer iterations (Sect. 3.2 and 3.3). By using <inline-formula><mml:math id="M192" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> as a prognostic variable instead of <inline-formula><mml:math id="M193" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, non-constant coefficient linear terms disappear in the equations for <inline-formula><mml:math id="M194" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M195" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eqs. (29) and (30), and appear in Eq. (36). As described above, <inline-formula><mml:math id="M196" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> should be carefully and accurately integrated in time for numerical stability. By using <inline-formula><mml:math id="M197" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> instead of <inline-formula><mml:math id="M198" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, the errors due to the non-constant coefficient linear terms in the equations for <inline-formula><mml:math id="M199" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M200" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (i.e., residual <inline-formula><mml:math id="M201" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi>n</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Appendix E3) disappear, which probably improves numerical stability.</p>
      <p id="d2e8117">In spectral space, <inline-formula><mml:math id="M202" display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M203" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M204" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M205" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M206" display="inline"><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M207" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are used as prognostic variables instead of <inline-formula><mml:math id="M208" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M209" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M210" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M211" display="inline"><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M212" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. <inline-formula><mml:math id="M213" display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M214" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi></mml:math></inline-formula> are used instead of <inline-formula><mml:math id="M215" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi></mml:math></inline-formula> to make it easier to solve the simultaneous equations associated with the semi-implicit scheme. In addition, <inline-formula><mml:math id="M216" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is used instead of <inline-formula><mml:math id="M217" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> so that the constant coefficient linear term in Eq. (31) provides a better approximation to the corresponding nonlinear term. The reason for using <inline-formula><mml:math id="M218" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is explained above. The reasons for using <inline-formula><mml:math id="M219" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M220" display="inline"><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi></mml:math></inline-formula> are explained above Eq. (32).</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S2.SS6">
  <label>2.6</label><title>Time-integration procedure</title>
      <p id="d2e8302">For time integration, the following seven-step procedure is performed once during each timestep. Step 3 computes the first approximate future values by solving the simultaneous equations with the constant-coefficient linear terms in spectral space. Step 4 updates these values by a single recalculation or by iterations. In each recalculation or iteration, the non-constant coefficient linear terms are recalculated, and the simultaneous equations with the constant-coefficient linear terms are solved as in Step 3.</p>
<sec id="Ch1.S2.SS6.SSSx1" specific-use="unnumbered">
  <title>Step 1: Explicit time integration and semi-Lagrangian advection in grid space</title>
      <p id="d2e8310">Equations (27)–(36) are evaluated using the vertical discretization described in Appendix C. The values of the variables at the departure point, denoted by subscript D, are evaluated using the vertically conservative semi-Lagrangian scheme described in Appendix B. The variables <inline-formula><mml:math id="M221" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M222" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M223" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M224" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">R</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M225" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> on the right-hand side of Eqs. (29), (30), (31), (E1), and (E3) are calculated. In <inline-formula><mml:math id="M226" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">R</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M227" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, extrapolated future values are used instead of the future values.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S2.SS6.SSSx2" specific-use="unnumbered">
  <title>Step 2: Spectral transforms from grid space to spectral space</title>
      <p id="d2e8420"><inline-formula><mml:math id="M228" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M229" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M230" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M231" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">R</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M232" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> calculated in Step 1 are transformed from grid space to spectral space using the spectral transform described in Appendix D.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S2.SS6.SSSx3" specific-use="unnumbered">
  <title>Step 3: Computation of the first approximate future values by solving constant-coefficient linear simultaneous equations in spectral space</title>
      <p id="d2e8499">The constant-coefficient linear simultaneous equations (Eqs. 29a, 30a, 31a, E1a, E1b (or E2a), and E3a), which contain the constant-coefficient linear terms, are solved in spectral space to obtain the first approximate future values <inline-formula><mml:math id="M233" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M234" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> [or <inline-formula><mml:math id="M235" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>], <inline-formula><mml:math id="M236" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M237" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M238" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M239" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Appendix E1).</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S2.SS6.SSSx4" specific-use="unnumbered">
  <title>Step 4: Computation of the final future values in spectral space by recalculating non-constant coefficient linear terms in grid space</title>
      <p id="d2e8645">One of the three methods described in Appendix E is used to obtain the final solution of the simultaneous equations (Eqs. 29a, 30a, 31a, 32, 33, and 36a), which contain the constant coefficient and non-constant coefficient linear terms. In the no-recalculation method, the first approximate solution obtained in Step 3 is adopted as the final solution. In the single-recalculation method, Eq. (E15) is used to calculate the final solution <inline-formula><mml:math id="M240" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from the first approximate solution <inline-formula><mml:math id="M241" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> obtained in Step 3. To evaluate the non-constant coefficient linear term <inline-formula><mml:math id="M242" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eq. (E15), the first approximate values <inline-formula><mml:math id="M243" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M244" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are transformed from spectral space to grid space, <inline-formula><mml:math id="M245" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M246" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are calculated in grid space, and <inline-formula><mml:math id="M247" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M248" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are transformed from grid space to spectral space as described in Appendix E2. In the preconditioned GCR method, the iterations described in Appendix E3 are performed to calculate <inline-formula><mml:math id="M249" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from <inline-formula><mml:math id="M250" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The non-constant coefficient linear term <inline-formula><mml:math id="M251" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Appendix E3 is evaluated once before the iterations, and <inline-formula><mml:math id="M252" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Appendix E3 is evaluated once per iteration. The simultaneous equations with the constant-coefficient linear terms are solved in spectral space once per recalculation or iteration as in Step 3.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S2.SS6.SSSx5" specific-use="unnumbered">
  <title>Step 5: Spectral transforms from spectral space to grid space</title>
      <p id="d2e8904">The vector wind <inline-formula><mml:math id="M253" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is obtained from <inline-formula><mml:math id="M254" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M255" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in spectral space (e.g., Eqs. I15, I16, and 44 of Yoshimura, 2022). The future values <inline-formula><mml:math id="M256" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M257" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M258" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M259" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M260" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M261" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are transformed from spectral space to grid space (Appendix D). The horizontal gradients <inline-formula><mml:math id="M262" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M263" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M264" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are also calculated in spectral space and transformed to grid space.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S2.SS6.SSSx6" specific-use="unnumbered">
  <title>Step 6: Optional spectral truncation of <inline-formula><mml:math id="M265" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in spectral space</title>
      <p id="d2e9086">The future value <inline-formula><mml:math id="M266" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is calculated from <inline-formula><mml:math id="M267" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> using Eq. (36b). To reduce aliasing errors arising from the calculation of <inline-formula><mml:math id="M268" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from <inline-formula><mml:math id="M269" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, especially in the presence of steep orography, high-wavenumber components of <inline-formula><mml:math id="M270" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be removed by transforming <inline-formula><mml:math id="M271" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from grid space to spectral space, truncating it at wavenumber <inline-formula><mml:math id="M272" display="inline"><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula> (Appendix D), and transforming it back from spectral to grid space. This step was used in the test cases examined here, but it is optional and was not required for numerical stability.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S2.SS6.SSSx7" specific-use="unnumbered">
  <title>Step 7: Computation of future values and application of Rayleigh damping to <inline-formula><mml:math id="M273" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in grid space</title>
      <p id="d2e9205">The future values <inline-formula><mml:math id="M274" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M275" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M276" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M277" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are calculated from <inline-formula><mml:math id="M278" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M279" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M280" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M281" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in grid space, respectively. Rayleigh damping described in Appendix F is applied to <inline-formula><mml:math id="M282" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the upper levels when it is used. At the next timestep, these future values are used as the present values.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="Ch1.S2.SS7">
  <label>2.7</label><title>Computational cost of spectral transforms</title>
      <p id="d2e9328">In spectral models, computational costs for spectral transforms and associated MPI communication become large, especially at high resolutions. To estimate the computational cost of spectral transforms per timestep in a three-dimensional model, the number of latitudinal spectral transforms, such as Legendre transforms, is counted as in Ritchie et al. (1995). A latitudinal transform of a multilevel scalar variable is counted as one, and a latitudinal transform of a multilevel horizontal vector is counted as two.</p>
      <p id="d2e9331">For a three-dimensional model using the non-constant coefficient semi-implicit semi-Lagrangian scheme described in this paper, Step 2 in Sect. 2.6 requires 5 grid-to-spectral latitudinal transforms of <inline-formula><mml:math id="M283" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M284" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M285" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">R</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M286" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where the horizontal vector <inline-formula><mml:math id="M287" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">R</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is counted as two transforms. Step 5 requires 8 spectral-to-grid latitudinal transforms of <inline-formula><mml:math id="M288" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M289" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M290" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M291" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M292" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M293" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M294" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M295" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The longitudinal derivatives <inline-formula><mml:math id="M296" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M297" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are calculated after the spectral-to-grid latitudinal transforms of <inline-formula><mml:math id="M298" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M299" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d2e9615">When using the no-recalculation method, Step 4 requires no additional transforms. When using the single-recalculation method, Step 4 requires 3 spectral-to-grid transforms of <inline-formula><mml:math id="M300" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M301" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M302" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and 3 grid-to-spectral transforms of <inline-formula><mml:math id="M303" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M304" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M305" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a horizontal vector and <inline-formula><mml:math id="M306" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a scalar. When using the preconditioned GCR method, Step 4 requires <inline-formula><mml:math id="M307" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">iter</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> grid-to-spectral transforms and <inline-formula><mml:math id="M308" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">iter</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> spectral-to-grid transforms, where <inline-formula><mml:math id="M309" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">iter</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the number of iterations. In total, <inline-formula><mml:math id="M310" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">13</mml:mn><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">8</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M311" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">19</mml:mn><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">8</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M312" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">19</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">iter</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">8</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">iter</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">iter</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> latitudinal transforms are required per timestep when using the no-recalculation method, the single-recalculation method, and the preconditioned GCR method, respectively.</p>
      <p id="d2e9917">Here, the computational cost of the ICI scheme is considered for comparison with that of the non-constant-coefficient semi-implicit scheme described above. The ICI scheme requires all terms to be recalculated in each additional iteration, including the spectral transforms in Steps 2 and 5, although it does not require the calculation in Step 4. Therefore, the ICI scheme requires <inline-formula><mml:math id="M313" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">13</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">13</mml:mn><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">iter</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">8</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">iter</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">8</mml:mn><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">iter</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> latitudinal transforms. For realistic model orography, the single-recalculation method is expected to be used with the non-constant coefficient semi-implicit semi-Lagrangian scheme, which requires 19 latitudinal transforms per timestep. On the other hand, the ICI scheme requires 26 latitudinal transforms per timestep when <inline-formula><mml:math id="M314" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">iter</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Thus, the non-constant coefficient semi-implicit semi-Lagrangian scheme requires fewer latitudinal transforms than the ICI scheme.</p>
      <p id="d2e9981">The above discussion assumes that the optional spectral truncation of <inline-formula><mml:math id="M315" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Step 6 is not used. If it is used, two additional latitudinal transforms are required for both the non-constant coefficient semi-implicit scheme and the ICI scheme.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="Ch1.S3">
  <label>3</label><title>Two-dimensional <inline-formula><mml:math id="M316" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>–<inline-formula><mml:math id="M317" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> nonhydrostatic model test cases</title>
      <p id="d2e10022">Various test cases were performed to evaluate the two-dimensional <inline-formula><mml:math id="M318" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>–<inline-formula><mml:math id="M319" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> nonhydrostatic model. Section 3.1 describes the two-dimensional <inline-formula><mml:math id="M320" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>–<inline-formula><mml:math id="M321" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> nonhydrostatic model. Section 3.2, 3.3, and 3.4 show the results of various mountain wave test cases. Section 3.5 and 3.6 show the results of the density current (cold bubble) and warm bubble test cases, respectively. Section 3.7 shows the results of the gravity wave test case.</p>
<sec id="Ch1.S3.SS1">
  <label>3.1</label><title>Two-dimensional <inline-formula><mml:math id="M322" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>–<inline-formula><mml:math id="M323" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> nonhydrostatic spectral model</title>
      <p id="d2e10075">In the two-dimensional <inline-formula><mml:math id="M324" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>–<inline-formula><mml:math id="M325" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> nonhydrostatic spectral model, <inline-formula><mml:math id="M326" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M327" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the prognostic equations in Sect. 2. The variables <inline-formula><mml:math id="M328" display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M329" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eqs. (E1) and (E2) are used, and <inline-formula><mml:math id="M330" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is not used in spectral space. The parameters <inline-formula><mml:math id="M331" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M332" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the mass-based hybrid vertical coordinate in Eq. (2) are given by the method described in Appendix A. Horizontally, periodic boundary conditions are used. The quadratic truncation <inline-formula><mml:math id="M333" display="inline"><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>≅</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is used to avoid aliasing errors associated with quadratic nonlinear terms, where <inline-formula><mml:math id="M334" display="inline"><mml:mi>I</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the number of horizontal grids and <inline-formula><mml:math id="M335" display="inline"><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the truncation wave number (Appendix D). Rayleigh damping on <inline-formula><mml:math id="M336" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula> (Appendix F) is used to suppress the reflection of upward propagating gravity waves at the top of the model in mountain wave test cases. In this model, diffusion is not required for numerical stability in the test cases and is not used, except that specified diffusion is used in the density current test case in Sect. 3.5. To solve the linear equations for the non-constant coefficient semi-implicit scheme, the preconditioned GCR method (Appendix E3) is used for the extremely steep mountain test case with an average slope of 63.4° in Sect. 3.3, the single-recalculation method with <inline-formula><mml:math id="M337" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.8</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Appendix E2) is used for other mountain wave test cases, and the no-recalculation method (Appendix E1) is used for test cases with no mountains in Sect. 3.5–3.7. The top half-level of the model is 0 Pa, except in the gravity wave test case described in Sect. 3.7.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S3.SS2">
  <label>3.2</label><title>Mountain wave test cases of the Steep Mountain Model Intercomparison Project</title>
      <p id="d2e10258">The test cases of the Steep Mountain Model Intercomparison Project (St-MIP; Satomura et al., 2003) were performed. Table 1 lists the simulation conditions for six St-MIP cases. All cases include one bell-shaped mountain:

            <disp-formula id="Ch1.E86" content-type="numbered"><label>37</label><mml:math id="M338" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M339" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the center of the domain, <inline-formula><mml:math id="M340" display="inline"><mml:mi>h</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the height of the mountain, and <inline-formula><mml:math id="M341" display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the half width of the mountain. The initial horizontal wind velocity is <inline-formula><mml:math id="M342" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m s<sup>−1</sup> for all cases. The Scorer parameter <inline-formula><mml:math id="M344" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is specified for each case (Table 1), where <inline-formula><mml:math id="M345" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the Brunt–Väisälä frequency. <inline-formula><mml:math id="M346" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the average slope angle of the mountain calculated from <inline-formula><mml:math id="M347" display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M348" display="inline"><mml:mi>h</mml:mi></mml:math></inline-formula>. <inline-formula><mml:math id="M349" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M350" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the horizontal and vertical grid intervals. The number of horizontal grids is 2000 in all cases. The number of vertical grids is <inline-formula><mml:math id="M351" display="inline"><mml:mi>K</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M352" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 30 000<inline-formula><mml:math id="M353" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the sponge layer using Rayleigh damping is placed above 15 000 m height, except for cases A3 and A4 where <inline-formula><mml:math id="M354" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">300</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the sponge layer is above a height of <inline-formula><mml:math id="M355" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">250</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The integration times for cases A1, A2, A3, A4, D1, and D2 are 300, 100, 20, 10, 100, and 100 min, respectively. The timesteps for cases A1, A2, A3, A4, D1, and D2 are 60, 6, 1.2, 0.3, 3.0, and 3.0 s, respectively. In these cases, to solve the linear simultaneous equations related to the semi-implicit scheme, the single-recalculation method with <inline-formula><mml:math id="M356" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.8</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is used, which is computationally more efficient and numerically less stable than the preconditioned GCR method (Appendix E). Using <inline-formula><mml:math id="M357" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.8</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> instead of <inline-formula><mml:math id="M358" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in this method allows stable calculations at long timesteps even in cases A4 and D2, which have a steep mountain with an average slope of 45°.</p>

<table-wrap id="T1"><label>Table 1</label><caption><p id="d2e10520">Conditions of the St-MIP simulation.</p></caption><oasis:table frame="topbot"><oasis:tgroup cols="6">
     <oasis:colspec colnum="1" colname="col1" align="left"/>
     <oasis:colspec colnum="2" colname="col2" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="3" colname="col3" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="4" colname="col4" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="5" colname="col5" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="6" colname="col6" align="right"/>
     <oasis:thead>
       <oasis:row rowsep="1">
         <oasis:entry colname="col1"/>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M359" display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula> (m)</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math id="M360" display="inline"><mml:mi>h</mml:mi></mml:math></inline-formula> (m)</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M361" display="inline"><mml:mi>l</mml:mi></mml:math></inline-formula> (m<sup>−1</sup>)</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5"><inline-formula><mml:math id="M363" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (m)</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6"><inline-formula><mml:math id="M364" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> (°)</oasis:entry>
       </oasis:row>
     </oasis:thead>
     <oasis:tbody>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">A1</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">5000</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">100</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M365" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">1000, 250</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6">0.57</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">A2</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">500</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">100</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M366" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">100, 100</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6">5.7</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">A3</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">100</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">100</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M367" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">20, 20</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6">26.5</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">A4</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">50</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">100</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M368" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">5, 5</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6">45</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">D1</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">500</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">500</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M369" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">50, 50</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6">26.5</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">D2</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">250</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">500</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M370" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">50, 50</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6">45</oasis:entry>
       </oasis:row>
     </oasis:tbody>
   </oasis:tgroup></oasis:table></table-wrap>

      <p id="d2e10848">Figure 1 shows the simulated vertical velocity near the mountain. The results are similar to those of the three models in Satomura et al. (2003). In case A1 where <inline-formula><mml:math id="M371" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, nearly hydrostatically balanced mountain waves appear, which propagate upward above the mountain. In case A2 where  <inline-formula><mml:math id="M372" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, nonhydrostatic mountain waves appear, which propagate upward and downstream relative to the mountain. In cases A3 and A4 where <inline-formula><mml:math id="M373" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, wave structures diminish, and simple flow that climbs over and goes down the mountain is simulated (Satomura et al., 2003). In cases D1 and D2 where <inline-formula><mml:math id="M374" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the mountain is high enough that nonlinear effects are taken into account (e.g., Smith, 1979; Satomura et al., 2003). In these cases, the amplitude of the vertical velocity is slightly larger than that derived from linear theory, which is probably because of nonlinear effects (Satomura et al., 2003; Li et al., 2016).</p>

      <fig id="F1" specific-use="star"><label>Figure 1</label><caption><p id="d2e10910">Simulated vertical velocity for cases <bold>(a)</bold> A1, <bold>(b)</bold> A2, <bold>(c)</bold> A3, <bold>(d)</bold> A4, <bold>(e)</bold> D1, and <bold>(f)</bold> D2. The contour intervals are 0.05, 0.1, 0.25, 1.0, 0.2, and 0.5 m s<sup>−1</sup>, respectively.</p></caption>
          <graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/19/10821/2026/gmd-19-10821-2026-f01.png"/>

        </fig>

      <fig id="F2"><label>Figure 2</label><caption><p id="d2e10952">Same as Fig. 1d, except for using <inline-formula><mml:math id="M376" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the surface boundary condition.</p></caption>
          <graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/19/10821/2026/gmd-19-10821-2026-f02.png"/>

        </fig>

      <p id="d2e11028">Figure 2 shows the result for case A4 when Eq. (21) is used instead of Eq. (18) for the surface boundary conditions. The result using Eq. (18) (Fig. 1d) is more similar to the model results and the linear theory in Satomura et al. (2003) than that using Eq. (21) (Fig. 2). Moreover, when Eq. (21) is used, the numerical stability is reduced, and the use of the GCR method with at least two iterations becomes necessary in case A4 for stable calculations. Therefore, the method using Eq. (18) is better than that using Eq. (21).</p>
      <p id="d2e11031">When <inline-formula><mml:math id="M377" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is used instead of <inline-formula><mml:math id="M378" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, the numerical stability is decreased, and the use of the GCR method with at least two iterations becomes necessary in case A4.</p>
      <p id="d2e11057">When the no-recalculation method is used instead of the single-recalculation method, cases A4 and D2, which have an average mountain slope of 45°, become unstable, but cases A1–A3, and D1 remain stable. It is notable that even cases A3 and D1, which have an average mountain slope of 26.5°, remain stable with the no-recalculation method. When <inline-formula><mml:math id="M379" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is used instead of <inline-formula><mml:math id="M380" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> in the no-recalculation method, cases A3, A4, D1, and D2 become unstable, indicating that the use of <inline-formula><mml:math id="M381" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> improves the numerical stability of the no-recalculation method.</p>
      <p id="d2e11097">When second-order decentering is not applied, that is, when <inline-formula><mml:math id="M382" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi></mml:math></inline-formula> is reduced from 1.2 to 1.0, all six cases, A1–A4, D1, and D2, become unstable. For numerical stability in the constant-coefficient semi-implicit scheme, the constant-coefficient linear terms should be larger than the corresponding nonlinear terms in the original prognostic equations. Therefore, in Eq. (27) for <inline-formula><mml:math id="M383" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the coefficient <inline-formula><mml:math id="M384" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the constant-coefficient linear term should be larger than the coefficient  <inline-formula><mml:math id="M385" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> of the corresponding nonlinear term. In Eq. (35) for <inline-formula><mml:math id="M386" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the coefficient <inline-formula><mml:math id="M387" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the constant-coefficient linear term should also be larger than <inline-formula><mml:math id="M388" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. From these conditions, <inline-formula><mml:math id="M389" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> should be satisfied for the constant-coefficient semi-implicit scheme to provide sufficient stability. Reducing <inline-formula><mml:math id="M390" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi></mml:math></inline-formula> from 1.2 to 1.0 narrows the temperature range satisfying this condition. Therefore, additional experiments were performed with <inline-formula><mml:math id="M391" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M392" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">300</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> K, and <inline-formula><mml:math id="M393" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">160</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> K, which retains the original bounds of this temperature range. With this setting, cases A4, D1, and D2 become stable, but cases A1–A3 remain unstable. This result indicates that the above condition alone is not sufficient for numerical stability and that the effects of  <inline-formula><mml:math id="M394" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eq. (29) for <inline-formula><mml:math id="M395" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, in Eq. (30) for <inline-formula><mml:math id="M396" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and in Eq. (31) for <inline-formula><mml:math id="M397" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> also contribute to numerical stability.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S3.SS3">
  <label>3.3</label><title>Extremely steep mountain test case</title>
      <p id="d2e11335">A case with an extremely steep mountain with an average slope of 63.4° (herein, case S1) was also simulated. Table 2 provides the simulation conditions for case S1, where <inline-formula><mml:math id="M398" display="inline"><mml:mi>h</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M399" display="inline"><mml:mi>l</mml:mi></mml:math></inline-formula> are the same as in case D2, and <inline-formula><mml:math id="M400" display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula> is halved as compared with case D2. The number of vertical grids is <inline-formula><mml:math id="M401" display="inline"><mml:mi>K</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M402" display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 10 000<inline-formula><mml:math id="M403" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the sponge layer using Rayleigh damping is placed above 7500 m height. The integration time is set to 50 min and the timestep is set to 0.3 s. In case S1, the preconditioned GCR method with a maximum number of iterations <inline-formula><mml:math id="M404" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">max</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">_</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">iter</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Appendix E3) is used here for the semi-implicit calculation, because the single-recalculation method or the GCR method with <inline-formula><mml:math id="M405" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">max</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">_</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">iter</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> leads to numerical instability.</p>

<table-wrap id="T2"><label>Table 2</label><caption><p id="d2e11429">Conditions for the extremely steep mountain test case.</p></caption><oasis:table frame="topbot"><oasis:tgroup cols="6">
     <oasis:colspec colnum="1" colname="col1" align="left"/>
     <oasis:colspec colnum="2" colname="col2" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="3" colname="col3" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="4" colname="col4" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="5" colname="col5" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="6" colname="col6" align="right"/>
     <oasis:thead>
       <oasis:row rowsep="1">
         <oasis:entry colname="col1"/>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M406" display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula> (m)</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math id="M407" display="inline"><mml:mi>h</mml:mi></mml:math></inline-formula> (m)</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M408" display="inline"><mml:mi>l</mml:mi></mml:math></inline-formula> (m<sup>−1</sup>)</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5"><inline-formula><mml:math id="M410" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (m)</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6"><inline-formula><mml:math id="M411" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> (°)</oasis:entry>
       </oasis:row>
     </oasis:thead>
     <oasis:tbody>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">S1</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">125</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">500</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M412" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">10, 10</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6">63.4</oasis:entry>
       </oasis:row>
     </oasis:tbody>
   </oasis:tgroup></oasis:table></table-wrap>

      <p id="d2e11566">Figure 3a shows the vertical velocity in case S1. After the wind passes over the mountain, a very strong downslope wind appears near the surface. Figure 3b shows the wind vectors <inline-formula><mml:math id="M413" display="inline"><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in case S1. The wind over the mountain splits into two parts: one that moves eastward and the other that descends near the surface. Figure 3c–d are the same as Fig. 3a–b, except that the initial condition for <inline-formula><mml:math id="M414" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula> is given by <inline-formula><mml:math id="M415" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> instead of <inline-formula><mml:math id="M416" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. A large rotor forms downwind of the mountain. Notably, two completely different states appear under identical conditions except for the initial conditions of <inline-formula><mml:math id="M417" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula>. When the previous vertical interpolation method is applied to compute vertical transport at the lowest and highest levels (Appendix B3), results similar to those in Fig. 3a–b are obtained for both initial conditions. Thus, the results of case S1 appear to be highly sensitive to both the initial conditions of w and the computing method applied near the surface.</p>

      <fig id="F3" specific-use="star"><label>Figure 3</label><caption><p id="d2e11635">The results for case S1 with an extremely steep mountain. <bold>(a)</bold> Simulated vertical velocities (contour interval: 2.0 m s<sup>−1</sup>) and <bold>(b)</bold> simulated wind vectors for <inline-formula><mml:math id="M419" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m, and <inline-formula><mml:math id="M420" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> s. Panels <bold>(c)</bold> and <bold>(d)</bold> are the same as <bold>(a)</bold> and <bold>(b)</bold>, respectively, except that the initial condition for <inline-formula><mml:math id="M421" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula> is given by <inline-formula><mml:math id="M422" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> instead of <inline-formula><mml:math id="M423" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></caption>
          <graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/19/10821/2026/gmd-19-10821-2026-f03.png"/>

        </fig>

</sec>
<sec id="Ch1.S3.SS4">
  <label>3.4</label><title>Mountain wave test cases of Schär et al. (2002)</title>
      <p id="d2e11760">Two mountain wave test cases of Schär et al. (2002) were performed, which are referred to as case Schär1 and case Schär2 in this paper. The surface height is given as

            <disp-formula id="Ch1.E87" content-type="numbered"><label>38</label><mml:math id="M424" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">exp</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">cos</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M425" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">250</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m, <inline-formula><mml:math id="M426" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> km, and <inline-formula><mml:math id="M427" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> km. Table 3 provides the simulation conditions of cases Schär1 and Schär2, where the Brunt–Väisälä frequency <inline-formula><mml:math id="M428" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula>, initial horizontal wind velocity <inline-formula><mml:math id="M429" display="inline"><mml:mi>U</mml:mi></mml:math></inline-formula>, Scorer parameter <inline-formula><mml:math id="M430" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, grid intervals <inline-formula><mml:math id="M431" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M432" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, upstream surface temperature <inline-formula><mml:math id="M433" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and surface pressure <inline-formula><mml:math id="M434" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are specified. The horizontal extent is <inline-formula><mml:math id="M435" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">200</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> km. The number of vertical levels is <inline-formula><mml:math id="M436" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">65</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and Rayleigh damping is used above a height of <inline-formula><mml:math id="M437" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">35</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to minimize reflections. The integration time is 600 min.</p>

<table-wrap id="T3" specific-use="star"><label>Table 3</label><caption><p id="d2e11966">Conditions for the mountain wave test cases of Schär et al. (2002).</p></caption><oasis:table frame="topbot"><oasis:tgroup cols="7">
     <oasis:colspec colnum="1" colname="col1" align="left"/>
     <oasis:colspec colnum="2" colname="col2" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="3" colname="col3" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="4" colname="col4" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="5" colname="col5" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="6" colname="col6" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="7" colname="col7" align="right"/>
     <oasis:thead>
       <oasis:row rowsep="1">
         <oasis:entry colname="col1"/>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M438" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> (s<sup>−1</sup>)</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math id="M440" display="inline"><mml:mi>U</mml:mi></mml:math></inline-formula> (m s<sup>−1</sup>)</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M442" display="inline"><mml:mi>l</mml:mi></mml:math></inline-formula> (m<sup>−1</sup>)</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5"><inline-formula><mml:math id="M444" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (m)</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6"><inline-formula><mml:math id="M445" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (K)</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col7"><inline-formula><mml:math id="M446" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Pa)</oasis:entry>
       </oasis:row>
     </oasis:thead>
     <oasis:tbody>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Schär1</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">0.01</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">10</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M447" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">500, 300</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6">288</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col7"><inline-formula><mml:math id="M448" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Schär2</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">0.01871</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">18.71</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M449" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">1000, 300</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6">273.16</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col7"><inline-formula><mml:math id="M450" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
       </oasis:row>
     </oasis:tbody>
   </oasis:tgroup></oasis:table></table-wrap>

      <p id="d2e12208">Figure 4 shows the results for case Schär1. Figure 4a–c show the vertical velocity when using timesteps of 5, 30, and 60 s, respectively. These results are similar to the analytical solution of Schär et al. (2002), even with long timesteps. In Schär et al. (2002), the results were good when using a smooth level vertical (SLEVE) coordinate, but not good when using the usual hybrid height coordinate. In our model, good results are obtained with the usual hybrid mass-based coordinate, possibly because of the use of the vertically conservative semi-Lagrangian scheme. Figure 4d–f are the same as Fig. 4a–c, except for not using the semi-Lagrangian treatment of the pressure change (SLTPC) that is explained in Appendix B7. The result with the long timestep of 60 s is not good when not using the SLTPC, which indicates that the SLTPC is effective when using a long timestep.</p>

      <fig id="F4" specific-use="star"><label>Figure 4</label><caption><p id="d2e12214">Simulated vertical velocity for case Schär1 using <bold>(a)</bold> <inline-formula><mml:math id="M451" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> s, <bold>(b)</bold> <inline-formula><mml:math id="M452" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">30</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> s, and <bold>(c)</bold> <inline-formula><mml:math id="M453" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">60</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> s. Panels <bold>(d)</bold>–<bold>(f)</bold> are the same as <bold>(a)</bold>–<bold>(c)</bold>, respectively, except for not using the semi-Lagrangian treatment of the pressure change (SLTPC). The contour interval is 0.05 m s<sup>−1</sup>.</p></caption>
          <graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/19/10821/2026/gmd-19-10821-2026-f04.png"/>

        </fig>

      <fig id="F5" specific-use="star"><label>Figure 5</label><caption><p id="d2e12301">Simulated vertical velocity for case Schär2 using <bold>(a)</bold> <inline-formula><mml:math id="M455" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> s, <bold>(b)</bold> <inline-formula><mml:math id="M456" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">30</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> s, and <bold>(c)</bold> <inline-formula><mml:math id="M457" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">60</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> s. Panels <bold>(d)</bold>–<bold>(f)</bold> are the same as <bold>(a)</bold>–<bold>(c)</bold>, respectively, except for not using the spatially averaged Eulerian treatment of the mountains (SAETM). Panels <bold>(g)</bold>–<bold>(i)</bold> are the same as <bold>(a)</bold>–<bold>(c)</bold>, respectively, except for not using the cubic Hermite interpolation for the SLTPC. The contour interval is 0.09355 m s<sup>−1</sup>.</p></caption>
          <graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/19/10821/2026/gmd-19-10821-2026-f05.png"/>

        </fig>

      <p id="d2e12399">Figure 5 shows the results for case Schär2. Figure 5a–c show the vertical velocity with timesteps of 5, 30, and 60 s, respectively, which are also similar to the analytical solution in Schär et al. (2002) even with long timesteps. Figure 5d–f are the same as Fig. 5a–c, except for not using the spatially averaged Eulerian treatment of mountains (SAETM; Appendix B6) for the horizontal mass advection, which yields poor results. Figure 5g–i are the same as Fig. 5a–c, except for not using the cubic Hermite interpolation (Appendix B8) and using the Lagrange interpolation for SLTPC. The result around <inline-formula><mml:math id="M459" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> km with a short timestep of <inline-formula><mml:math id="M460" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> s when not using the cubic Hermite interpolation (Fig. 5g) is not as good as that when using the interpolation (Fig. 5a).</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S3.SS5">
  <label>3.5</label><title>Density current test case</title>
      <p id="d2e12438">The density current test case of Straka et al. (1993) was performed. The basic state values are given as follows:

                <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M461" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E88"><mml:mtd><mml:mtext>39</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.Ex4"><mml:mtd><mml:mtext>39'</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">300</mml:mn><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">K</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          To initiate a density current, the following function is used to specify an initial temperature perturbation:

            <disp-formula id="Ch1.E89" content-type="numbered"><label>40</label><mml:math id="M462" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="{" close=""><mml:mtable class="array" columnalign="left left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0.0</mml:mn><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">if</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">15.0</mml:mn><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">cos</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.0</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">if</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M463" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced close="}" open="{"><mml:mrow><mml:msup><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msubsup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">0.5</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M464" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> km, <inline-formula><mml:math id="M465" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4.0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> km, <inline-formula><mml:math id="M466" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3.0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> km and <inline-formula><mml:math id="M467" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2.0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> km. The horizontal extent is from <inline-formula><mml:math id="M468" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">25.6</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> km to <inline-formula><mml:math id="M469" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">25.6</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> km, and the number of vertical grids is <inline-formula><mml:math id="M470" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">6400</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Second-order <inline-formula><mml:math id="M471" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>–<inline-formula><mml:math id="M472" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> diffusion with a diffusion coefficient of 75.0 m<sup>2</sup> s<sup>−1</sup>, as specified by Straka et al. (1993), is used for <inline-formula><mml:math id="M475" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M476" display="inline"><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M477" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M478" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> in spectral space. In test cases without mountains, no recalculation of the non-constant coefficient linear terms <inline-formula><mml:math id="M479" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M480" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is necessary to solve the semi-implicit equations without stability problems, because the values of <inline-formula><mml:math id="M481" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M482" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which contain <inline-formula><mml:math id="M483" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">#</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, are small (Appendix E1).</p>

      <fig id="F6"><label>Figure 6</label><caption><p id="d2e12928">Simulated potential temperature perturbations (K) at 900 s in the density current test case of Straka et al. (1993). <bold>(a)</bold> <inline-formula><mml:math id="M484" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">50</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m and <inline-formula><mml:math id="M485" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> s. <bold>(b)</bold> <inline-formula><mml:math id="M486" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">100</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m and <inline-formula><mml:math id="M487" 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> s. <bold>(c)</bold> <inline-formula><mml:math id="M488" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">200</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m and <inline-formula><mml:math id="M489" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> s. <bold>(d)</bold> <inline-formula><mml:math id="M490" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">400</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m and <inline-formula><mml:math id="M491" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">25</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> s.</p></caption>
          <graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/19/10821/2026/gmd-19-10821-2026-f06.png"/>

        </fig>

      <p id="d2e13087">Figure 6 shows the simulated potential temperature perturbations at 900 s. The result with <inline-formula><mml:math id="M492" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">50</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m and <inline-formula><mml:math id="M493" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> s (Fig. 6a) is similar to the result of the reference model (REFC) with <inline-formula><mml:math id="M494" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">50</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m and <inline-formula><mml:math id="M495" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.5625</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> s in Straka et al. (1993) despite the long timestep of 3 s. The result at low resolution with <inline-formula><mml:math id="M496" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">400</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m and <inline-formula><mml:math id="M497" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">25</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> s (Fig. 6d) is more similar to the result with <inline-formula><mml:math id="M498" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">50</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m, compared with the results of Straka et al. (1993) at the same resolution. This is probably because the model has good computational accuracy by using the spectral method and good numerical stability by using the semi-implicit semi-Lagrangian scheme.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S3.SS6">
  <label>3.6</label><title>Warm bubble convection test case</title>
      <p id="d2e13231">The warm bubble convection test case of Robert (1993) was simulated. The basic state of the atmosphere is isentropic with a potential temperature of 30 °C. The initial perturbation of the potential temperature within the bubble is given by

            <disp-formula id="Ch1.E90" content-type="numbered"><label>41</label><mml:math id="M499" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close="" open="{"><mml:mtable class="array" columnalign="left left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">exp</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          with

            <disp-formula id="Ch1.E91" content-type="numbered"><label>42</label><mml:math id="M500" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M501" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.5</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> °C, <inline-formula><mml:math id="M502" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">50</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m, <inline-formula><mml:math id="M503" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">100</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m, <inline-formula><mml:math id="M504" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">500</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m, and <inline-formula><mml:math id="M505" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">260</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m. This produces a bubble with a Gaussian profile with a small flat region at its center. The grid intervals are <inline-formula><mml:math id="M506" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m and <inline-formula><mml:math id="M507" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m, the horizontal length of the domain is <inline-formula><mml:math id="M508" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> km, and the number of vertical grids is <inline-formula><mml:math id="M509" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1500</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>

      <fig id="F7" specific-use="star"><label>Figure 7</label><caption><p id="d2e13478">Simulated potential temperature perturbations (K) at <bold>(a)</bold> <inline-formula><mml:math id="M510" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">min</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <bold>(b)</bold> <inline-formula><mml:math id="M511" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> min, <bold>(c)</bold> <inline-formula><mml:math id="M512" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> min, and <bold>(d)</bold> <inline-formula><mml:math id="M513" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">18</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> min in the warm bubble convection test case of Robert (1993).</p></caption>
          <graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/19/10821/2026/gmd-19-10821-2026-f07.png"/>

        </fig>

      <fig id="F8" specific-use="star"><label>Figure 8</label><caption><p id="d2e13552"><bold>(a)</bold> Same as Fig. 7d, except for using linear truncation instead of quadratic truncation. <bold>(b)</bold> Same as Fig. 7d, except for using cubic truncation. <bold>(c)</bold> Same as Fig. 7d, except that <inline-formula><mml:math id="M514" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2.5</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> s instead of <inline-formula><mml:math id="M515" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> s. <bold>(d)</bold> Same as <bold>(c)</bold>, except that <inline-formula><mml:math id="M516" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m instead of <inline-formula><mml:math id="M517" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m.</p></caption>
          <graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/19/10821/2026/gmd-19-10821-2026-f08.png"/>

        </fig>

      <p id="d2e13645">Figure 7a–d show the potential temperature perturbations at <inline-formula><mml:math id="M518" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, 6, 12, and 18 min, respectively. The results at <inline-formula><mml:math id="M519" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>0, 6, and 12 min are very similar to those of Robert (1993). The result at <inline-formula><mml:math id="M520" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">18</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> min is similar to that of Robert (1993), but there are some differences. Figure 8a–d show the results at <inline-formula><mml:math id="M521" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">18</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> min with different settings. Figure 8a and b are the same as Fig. 7d, except for using the linear truncation <inline-formula><mml:math id="M522" display="inline"><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>≅</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the cubic truncation <inline-formula><mml:math id="M523" display="inline"><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>≅</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, respectively, instead of the quadratic truncation <inline-formula><mml:math id="M524" display="inline"><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>≅</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. There are also some differences among their results. Figure 8c is the same as Fig. 7d, except for using <inline-formula><mml:math id="M525" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2.5</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> s instead of <inline-formula><mml:math id="M526" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> s; these two results are similar. Figure 8d is the same as Fig. 8c, except for using <inline-formula><mml:math id="M527" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m and <inline-formula><mml:math id="M528" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m; small-scale sharp structures appear due to the higher resolution.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S3.SS7">
  <label>3.7</label><title>Gravity wave test case</title>
      <p id="d2e13817">The gravity wave test case of Skamarock and Klemp (1994) was simulated. The initial perturbation of potential temperature <inline-formula><mml:math id="M529" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is given as follows:

            <disp-formula id="Ch1.E92" content-type="numbered"><label>43</label><mml:math id="M530" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">sin</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M531" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> K, <inline-formula><mml:math id="M532" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> km, the height of the domain <inline-formula><mml:math id="M533" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">km</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the horizontal length of the domain <inline-formula><mml:math id="M534" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">300</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> km, and the central position of the initial perturbation <inline-formula><mml:math id="M535" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. A constant Brunt–Väisälä frequency <inline-formula><mml:math id="M536" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> s<sup>−1</sup> and a surface temperature of 300 K give the basic state of the vertical temperature profile. The initial horizontal wind velocity is <inline-formula><mml:math id="M538" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">20</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m s<sup>−1</sup>. The grid intervals are <inline-formula><mml:math id="M540" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">500</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m.</p>

      <fig id="F9" specific-use="star"><label>Figure 9</label><caption><p id="d2e14054">Simulated potential temperature perturbations at <inline-formula><mml:math id="M541" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3000</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> s using <bold>(a)</bold> <inline-formula><mml:math id="M542" 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> s and <bold>(b)</bold> <inline-formula><mml:math id="M543" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">30</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> s in the gravity wave test case of Skamarock and Klemp (1994). Panels <bold>(c)</bold> and <bold>(d)</bold> are the same as <bold>(a)</bold> and <bold>(b)</bold>, respectively, except for using the previous method for vertical interpolation (Appendix B3). The contour interval is 0.0005 K.</p></caption>
          <graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/19/10821/2026/gmd-19-10821-2026-f09.png"/>

        </fig>

      <p id="d2e14122">Figure 9a–b show the potential temperature perturbations at <inline-formula><mml:math id="M544" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3000</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> s using the timesteps <inline-formula><mml:math id="M545" 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> s and <inline-formula><mml:math id="M546" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">30</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> s, respectively. The results are similar to those of Wong et al. (2014). Figure 9c–d show the results using the previous method of vertical interpolation for the vertical transport in the lowest and highest vertical levels (Appendix B3). The present method (Fig. 9a–b) improves the results as compared with the previous method.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="Ch1.S4" sec-type="conclusions">
  <label>4</label><title>Conclusions</title>
      <p id="d2e14174">We have developed a two-dimensional <inline-formula><mml:math id="M547" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>–<inline-formula><mml:math id="M548" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> nonhydrostatic spectral model using non-constant coefficient semi-implicit and vertically conservative semi-Lagrangian schemes to allow long timesteps. The model was examined using various test cases and good results were obtained with long timesteps and even with steep orography, because of the following features, including several improvements: <list list-type="bullet"><list-item>
      <p id="d2e14193">Feature 1: The non-constant coefficient semi-implicit scheme is numerically stable and computationally efficient. A single recalculation of non-constant coefficient linear terms (i.e., the single-recalculation method; Appendix E2) is usually sufficient to solve the equations associated with the non-constant coefficient semi-implicit scheme with the help of Features 2–5, even for cases A4 and D2, which have a steep mountain with an average slope of 45° (Sect. 3.2). In case S1, which has an extremely steep mountain with an average slope of 63.4° (Sect. 3.3), several iterations using the preconditioned GCR method (Appendix E3) are necessary to solve the semi-implicit equations, where only non-constant coefficient linear terms are recalculated in each iteration. In the test cases without mountains (Sect. 3.5–3.7) and even in cases A3 and D1, which have a mountain with an average slope of 26.5° (Sect. 3.2), the no-recalculation method (Appendix E1) is sufficient to solve the semi-implicit equations.</p></list-item><list-item>
      <p id="d2e14198">Feature 2: The combination of SETTLS and second-order decentering with <inline-formula><mml:math id="M549" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Sect. 2.4) improves numerical stability (Sect. 3.2).</p></list-item><list-item>
      <p id="d2e14214">Feature 3: In the single-recalculation method, setting <inline-formula><mml:math id="M550" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.8</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> instead of <inline-formula><mml:math id="M551" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> improves the numerical stability (Appendix E2; Sect. 3.2).</p></list-item><list-item>
      <p id="d2e14248">Feature 4: By improving the treatment of the free-slip boundary conditions, the number of iterations for solving the semi-implicit equations is reduced (Sect. 2.3), and the results for the test cases with a steep mountain are improved (Sect. 3.2).</p></list-item><list-item>
      <p id="d2e14252">Feature 5: By using <inline-formula><mml:math id="M552" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M553" display="inline"><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi></mml:math></inline-formula> (Bénard et al., 2010), and <inline-formula><mml:math id="M554" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> instead of <inline-formula><mml:math id="M555" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M556" display="inline"><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M557" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> as prognostic variables in spectral space, the numerical stability is improved, and the number of iterations needed to solve the semi-implicit equations is reduced (Sects. 2.5 and 3.2).</p></list-item><list-item>
      <p id="d2e14311">Feature 6: A vertically conservative semi-Lagrangian scheme is used, where a conservative semi-Lagrangian method is used in the vertical direction (Appendix B). Mass and other variables are advected in a consistent manner.</p></list-item><list-item>
      <p id="d2e14315">Feature 7: By using a spatially averaged Eulerian treatment of mountains with horizontal mass advection similar to Ritchie and Tanguay (1996) (Appendix B6), the results for the test cases with mountains are improved (Sect. 3.4).</p></list-item><list-item>
      <p id="d2e14319">Feature 8: By treating the hydrostatic pressure change with horizontal advection in a semi-Lagrangian fashion (Appendix B7), the results for the test cases with mountains are improved (Sect. 3.4).</p></list-item><list-item>
      <p id="d2e14323">Feature 9: By using cubic Hermite interpolation to calculate the hydrostatic pressure change with horizontal advection (Appendix B8), the results for case Schär2 with mountains are slightly improved when the timestep is short (Sect. 3.4).</p></list-item><list-item>
      <p id="d2e14327">Feature 10:  By modifying the vertical interpolation method for the vertical transport in the lowest and highest vertical levels (Appendix B3), the results for the gravity wave test case are improved (Sect. 3.7).</p></list-item></list> We have been developing a global nonhydrostatic spectral model using non-constant coefficient semi-implicit and vertically conservative semi-Lagrangian schemes, as briefly described by Yoshimura (2012). However, the improvements described in Features 3–5, 7, 9, and 10 above have not been implemented in the global model. These improvements will be implemented and evaluated in future work. Although we expect that these improvements can be incorporated into the global model without substantial difficulties, their performance, particularly that of the improved surface boundary treatment, should be evaluated in the three-dimensional global model. Further improvements will be made if necessary. Similar to the two-dimensional <inline-formula><mml:math id="M558" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>–<inline-formula><mml:math id="M559" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> nonhydrostatic model, the global nonhydrostatic model is expected to be computationally efficient: its expected high numerical stability would allow long timesteps, and the single-recalculation method is expected to be sufficient for stable time integration over realistic orography without extremely steep mountains, such as the mountain with a 63.4° slope, although this expectation should be confirmed in the global model. Furthermore, not only in this model but also in other nonhydrostatic models, introducing some improvements described in this paper is likely to enhance numerical stability, computational efficiency, and accuracy, particularly in cases with steep mountains.</p>
</sec>

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

<app id="App1.Ch1.S1">
  <label>Appendix A</label><title>How to obtain the coefficients <inline-formula><mml:math id="M560" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M561" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the vertical coordinate of the two-dimensional <inline-formula><mml:math id="M562" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>–<inline-formula><mml:math id="M563" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> model</title>
      <p id="d2e14413">In the two-dimensional <inline-formula><mml:math id="M564" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>–<inline-formula><mml:math id="M565" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> model, <inline-formula><mml:math id="M566" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M567" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eq. (2) are defined as follows:
        

              <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E93" specific-use="gather" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M568" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E93.94"><mml:mtd><mml:mtext>A1a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:msup><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E93.95"><mml:mtd><mml:mtext>A1b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E93.96"><mml:mtd><mml:mtext>A1c</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mfenced open="{" close=""><mml:mtable class="array" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">for</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.125</mml:mn><mml:mo mathsize="1.1em">[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">16</mml:mn><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.5</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.5</mml:mn><mml:mo mathsize="1.1em">]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mi mathvariant="normal">for</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>≤</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">for</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E93.97"><mml:mtd><mml:mtext>A1d</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

        When <inline-formula><mml:math id="M569" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Pa</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, Eq. (2) becomes <inline-formula><mml:math id="M570" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:msup><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The vertical profile of <inline-formula><mml:math id="M571" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is given by the following equations:
        

              <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E98" specific-use="gather" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M572" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E98.99"><mml:mtd><mml:mtext>A2a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">log</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E98.100"><mml:mtd><mml:mtext>A2b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi mathvariant="normal">log</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">log</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E98.101"><mml:mtd><mml:mtext>A2c</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

        where <inline-formula><mml:math id="M573" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the vertical resolution. As an exception, in the gravity wave test case in Sect. 3.7, <inline-formula><mml:math id="M574" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.5</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is used in Eq. (A1d), and <inline-formula><mml:math id="M575" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is given using Eq. (A2b) instead of Eq. (A2c).</p>
      <p id="d2e15188">The vertical profiles of <inline-formula><mml:math id="M576" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eq. (A2b) are calculated as shown below. When the Brunt–Väisälä frequency <inline-formula><mml:math id="M577" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> is given, the following relationship is satisfied:

          <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E102" content-type="numbered"><label>A3</label><mml:math id="M578" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        Equation (A3) is discretized vertically as follows:

          <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E103" content-type="numbered"><label>A4</label><mml:math id="M579" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        which leads to:

          <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E104" content-type="numbered"><label>A5</label><mml:math id="M580" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        When the surface temperature <inline-formula><mml:math id="M581" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is given, <inline-formula><mml:math id="M582" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><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:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is calculated using Eq. (A5), and <inline-formula><mml:math id="M583" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eq. (A2b) is given by:

          <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E105" content-type="numbered"><label>A6</label><mml:math id="M584" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
</app>

<app id="App1.Ch1.S2">
  <label>Appendix B</label><title>Vertically conservative semi-Lagrangian scheme</title>
      <p id="d2e15604">A simple explanation of the vertically conservative semi-Lagrangian scheme was given by Yoshimura and Matsumura (2003) and Yukimoto et al. (2011). The scheme has some similarities to the vertically Lagrangian scheme of Lin (2004). Here, the scheme is described in detail, including some improvements.</p>
      <p id="d2e15607">In the vertically conservative semi-Lagrangian scheme, the three-dimensional model is regarded as a vertical stack of two-dimensional horizontal models, and horizontal advection is calculated separately in each layer. Conservative vertical remapping is performed before and after horizontal advection to maintain consistency with the layers defined by the <inline-formula><mml:math id="M585" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:math></inline-formula> coordinate. This vertical remapping corresponds to vertical transport of mass. Mass and other variables are advected in a consistent manner.</p>
      <p id="d2e15617">The effects of horizontal divergence and vertical remapping are calculated with equal weighting before and after horizontal advection. This treatment is consistent with the semi-Lagrangian time discretization, where the tendencies at the departure and arrival points are taken into account with equal weighting. This symmetric treatment is designed to preserve second-order temporal accuracy along the semi-Lagrangian trajectory. Although the splitting between horizontal and vertical transport introduces an additional splitting error, the weak dependence on the timestep size in the test cases examined here suggests that the splitting error is small.</p>
      <p id="d2e15620">Appendix B1 describes a usual semi-Lagrangian scheme, Appendix B2 describes the vertically conservative semi-Lagrangian scheme, Appendix B3 describes vertical remapping, Appendices B4 and B5 describe horizontal advection, and Appendices B6–B8 describe several improvements related to horizontal advection.</p>
<sec id="App1.Ch1.S2.SS1">
  <label>B1</label><title>Advection with a usual semi-Lagrangian scheme</title>
      <p id="d2e15631">The advection equation with variable <inline-formula><mml:math id="M586" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> can be expressed as follows:

            <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E106" content-type="numbered"><label>B1</label><mml:math id="M587" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          In the usual non-conservative semi-Lagrangian scheme (e.g., Robert, 1981; Temperton et al., 2001; Hortal, 2002), Eq. (B1) is discretized in time as

            <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E107" content-type="numbered"><label>B2</label><mml:math id="M588" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where the subscript D represents the value at the three-dimensional departure point <inline-formula><mml:math id="M589" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the absence of the subscript D means the value at the arrival point <inline-formula><mml:math id="M590" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:math></inline-formula>, which is on the grid point. The departure point <inline-formula><mml:math id="M591" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is located upstream from the arrival point <inline-formula><mml:math id="M592" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:math></inline-formula> along the wind vector. Equation (B2) is the discretization when the right side of Eq. (B1) is zero. Section 2.4 and 2.5 show the discretization when the right side of Eq. (B1) is not zero.</p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S2.SS2">
  <label>B2</label><title>Advection of mass and other variables with the vertically conservative semi-Lagrangian scheme</title>
      <p id="d2e15789">In the vertically conservative semi-Lagrangian scheme, the value <inline-formula><mml:math id="M593" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>  in Eq. (B2) is obtained by calculating horizontal and vertical transport separately. A conservative semi-Lagrangian scheme is used in the vertical direction. The continuous equation in Eq. (11) is converted to

            <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E108" content-type="numbered"><label>B3</label><mml:math id="M594" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M595" display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the horizontal divergence and <inline-formula><mml:math id="M596" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the horizontal advection. Using Eq. (B3), Eq. (B1) is converted into:

            <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E109" content-type="numbered"><label>B4</label><mml:math id="M597" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          Using Eqs. (B3) and (B4), the mass and other variables are advected in a consistent manner. Using Eq. (3), Eqs. (B3) and (B4) are discretized in the vertical direction as follows:

                <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M598" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E110"><mml:mtd><mml:mtext>B5</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E111"><mml:mtd><mml:mtext>B6</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          By using the SETTLS discretization, Eqs. (B5) and (B6) are discretized in time at each layer <inline-formula><mml:math id="M599" display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> as follows:

                <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M600" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E112"><mml:mtd><mml:mtext>B7</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo mathsize="2.0em" mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="2.0em">[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo mathsize="2.0em">]</mml:mo><mml:msub><mml:mo mathsize="2.0em" mathvariant="italic">}</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E113"><mml:mtd><mml:mtext>B8</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo mathsize="2.0em" mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="2.0em">[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo mathsize="2.0em">]</mml:mo><mml:msub><mml:mo mathvariant="italic" mathsize="2.0em">}</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          where the subscript <inline-formula><mml:math id="M601" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> indicates the value at the two-dimensional horizontal departure point in the vertical level <inline-formula><mml:math id="M602" display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and the absence of the subscript <inline-formula><mml:math id="M603" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> indicates the value at the arrival point.</p>
      <p id="d2e16983">Time integration of Eqs. (B7) and (B8) is performed in the following order:</p>
      <p id="d2e16986">Step 1: Initial values to be advected are

                <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M604" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E114"><mml:mtd><mml:mtext>B9</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E115"><mml:mtd><mml:mtext>B10</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d2e17050">Step 2: Due to horizontal divergence, the values of <inline-formula><mml:math id="M605" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M606" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> change as follows:

                <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M607" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E116"><mml:mtd><mml:mtext>B11</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E117"><mml:mtd><mml:mtext>B12</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          From Eqs. (B11) and (B12),

            <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E118" content-type="numbered"><label>B13</label><mml:math id="M608" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d2e17270">Step 3: Due to the vertical flux, the values of <inline-formula><mml:math id="M609" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M610" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> change as follows:

                <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M611" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E119"><mml:mtd><mml:mtext>B14</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">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="2.0em">[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo mathsize="2.0em">]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E120"><mml:mtd><mml:mtext>B15</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="2.0em">[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo mathsize="2.0em">]</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          Here, <inline-formula><mml:math id="M612" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is calculated from the following equation (e.g., Ritchie et al., 1995):

            <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E121" content-type="numbered"><label>B16</label><mml:math id="M613" display="block"><mml:mrow><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml: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>K</mml:mi></mml:munderover><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:munderover><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M614" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><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:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The value <inline-formula><mml:math id="M615" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is calculated from <inline-formula><mml:math id="M616" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> using Eq. (B15) via the remapping method described in Appendix B3.</p>
      <p id="d2e17900">Step 4: Due to horizontal advection, the values of <inline-formula><mml:math id="M617" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M618" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> change as follows:

                <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M619" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E122"><mml:mtd><mml:mtext>B17</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E123"><mml:mtd><mml:mtext>B18</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          When adopting the spatially averaged Eulerian treatment of the mountains described in Appendix B6, Eq. (B44) below is used instead of Eq. (B17). From Eqs. (B17) and (B18),

            <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E124" content-type="numbered"><label>B19</label><mml:math id="M620" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          How to calculate the horizontal departure point and the value at the horizontal departure point with the subscript <inline-formula><mml:math id="M621" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is explained in Appendix B4.</p>
      <p id="d2e18108">Step 5: Due to the vertical flux, the values of <inline-formula><mml:math id="M622" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M623" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> change as follows:

                <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M624" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E125"><mml:mtd><mml:mtext>B20</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="2.0em">[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo mathsize="2.0em">]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E126"><mml:mtd><mml:mtext>B21</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">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="2.0em">[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo mathsize="2.0em">]</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          Here, <inline-formula><mml:math id="M625" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> calculated from Eq. (B16) is not used, and <inline-formula><mml:math id="M626" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is calculated from Eq. (B29) below so that Eq. (B28) below is satisfied. After calculating <inline-formula><mml:math id="M627" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M628" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is calculated from <inline-formula><mml:math id="M629" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> using Eq. (B21) by the remapping method described in Appendix B3.</p>
      <p id="d2e18517">Step 6: Due to horizontal divergence, the values of <inline-formula><mml:math id="M630" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M631" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> change as follows:

                <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M632" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E127"><mml:mtd><mml:mtext>B22</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E128"><mml:mtd><mml:mtext>B23</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          From Eqs. (B22) and (B23),

            <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E129" content-type="numbered"><label>B24</label><mml:math id="M633" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d2e18732">Step 7: The values after advection are obtained as follows:

                <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M634" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E130"><mml:mtd><mml:mtext>B25</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E131"><mml:mtd><mml:mtext>B26</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d2e18807">From Eqs. (B25), (B22), and (B20), and using the boundary condition <inline-formula><mml:math id="M635" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><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:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the following equation is derived:

            <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E132" content-type="numbered"><label>B27</label><mml:math id="M636" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">explicit</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">top</mml:mi></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:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:munderover><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">top</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:munderover><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M637" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">top</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is <inline-formula><mml:math id="M638" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:math></inline-formula> at the top of the model and usually <inline-formula><mml:math id="M639" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">top</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The variable <inline-formula><mml:math id="M640" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">explicit</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the explicitly calculated <inline-formula><mml:math id="M641" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which is used in Eq. (31b). By using Eq. (3a), the following equation is obtained:

            <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E133" content-type="numbered"><label>B28</label><mml:math id="M642" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">explicit</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          From Eqs. (B28), (B25), and (B22), the following equation is obtained:

            <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E134" content-type="numbered"><label>B29</label><mml:math id="M643" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          By using <inline-formula><mml:math id="M644" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M645" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> obtained from Eqs. (B17) and (B29), <inline-formula><mml:math id="M646" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eq. (B21) is calculated.</p>
      <p id="d2e19239">Equations (B9)–(B29) are used to calculate the value at the three-dimensional departure point. For example, in Eq. (29b), when setting <inline-formula><mml:math id="M647" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M648" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is calculated as the value of <inline-formula><mml:math id="M649" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. When setting <inline-formula><mml:math id="M650" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M651" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is calculated as the value of <inline-formula><mml:math id="M652" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d2e19446">The calculation of the advection of <inline-formula><mml:math id="M653" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at the half level is described in Appendix B5.</p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S2.SS3">
  <label>B3</label><title>Vertical remapping for the vertical flux calculation</title>
      <p id="d2e19477">The vertical flux is calculated with a conservative semi-Lagrangian scheme. When <inline-formula><mml:math id="M654" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M655" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are given, <inline-formula><mml:math id="M656" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>] and <inline-formula><mml:math id="M657" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be calculated as follows:

            <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E135" content-type="numbered"><label>B30</label><mml:math id="M658" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">top</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:munderover><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M659" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">top</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is <inline-formula><mml:math id="M660" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:math></inline-formula> at the top of the model, and usually <inline-formula><mml:math id="M661" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">top</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Figure B1 shows the change of <inline-formula><mml:math id="M662" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> in the vertical flux calculation from [2] to [3]. The left image in Fig. B1 is before the vertical flux calculation, and the vertical profile of <inline-formula><mml:math id="M663" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> satisfying the following equation is used to calculate the vertical flux:

            <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E136" content-type="numbered"><label>B31</label><mml:math id="M664" display="block"><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:munderover><mml:mi>T</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          The shaded areas of the middle image in Fig. B1 show the vertical flux of <inline-formula><mml:math id="M665" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> moving from the upper to lower levels. The value <inline-formula><mml:math id="M666" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> after the vertical flux calculation in the right image in Fig. B1 is obtained from the following equation:

            <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E137" content-type="numbered"><label>B32</label><mml:math id="M667" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:munderover><mml:mi>T</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          This calculation is considered to be conservative vertical remapping.</p>

      <fig id="FB1" specific-use="star"><label>Figure B1</label><caption><p id="d2e19874">Schematic diagram of the vertical flux calculation in the vertically conservative semi-Lagrangian scheme. <inline-formula><mml:math id="M668" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is an interpolation function obtained from the values of <inline-formula><mml:math id="M669" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The shaded areas in the middle subfigure represent the amounts moved from the upper to lower levels.</p></caption>
          <graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/19/10821/2026/gmd-19-10821-2026-f10.png"/>

        </fig>

      <p id="d2e19908">The integrated value <inline-formula><mml:math id="M670" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from the top in the following equation is used instead of <inline-formula><mml:math id="M671" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>:

            <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E138" content-type="numbered"><label>B33</label><mml:math id="M672" display="block"><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">top</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>T</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          The value <inline-formula><mml:math id="M673" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is obtained from:

            <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E139" content-type="numbered"><label>B34</label><mml:math id="M674" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">top</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:munderover><mml:mi>T</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          There is arbitrariness in how to obtain the vertical profile of <inline-formula><mml:math id="M675" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The third-order Lagrange interpolation is used to calculate the value <inline-formula><mml:math id="M676" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from the values of <inline-formula><mml:math id="M677" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at the nearest four grid points when <inline-formula><mml:math id="M678" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Previously, when <inline-formula><mml:math id="M679" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:math></inline-formula> is in the lowest or highest vertical levels, which is when <inline-formula><mml:math id="M680" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> or <inline-formula><mml:math id="M681" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfenced><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">top</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the third-order Lagrange interpolation was employed (i.e., the previous method) to calculate <inline-formula><mml:math id="M682" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by using the extrapolated values of <inline-formula><mml:math id="M683" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M684" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>:
          

                <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E140" specific-use="gather" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M685" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E140.141"><mml:mtd><mml:mtext>B35a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi>S</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E140.142"><mml:mtd><mml:mtext>B35b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi>S</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>K</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>K</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          Here, the second-order Lagrange interpolation is used (i.e., the present method) instead of the third-order Lagrange interpolation when <inline-formula><mml:math id="M686" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:math></inline-formula> is in the lowest or highest vertical levels. The values of <inline-formula><mml:math id="M687" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M688" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M689" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are used for interpolation when <inline-formula><mml:math id="M690" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and the values of <inline-formula><mml:math id="M691" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M692" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M693" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are used when <inline-formula><mml:math id="M694" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In the gravity wave test case (Sect. 3.7), the results of the present method are better than those of the previous method. Using the values of <inline-formula><mml:math id="M695" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> calculated by the Lagrange interpolation, <inline-formula><mml:math id="M696" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is calculated as follows:

            <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E143" content-type="numbered"><label>B36</label><mml:math id="M697" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          The value of <inline-formula><mml:math id="M698" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be calculated from <inline-formula><mml:math id="M699" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the same way using the values of <inline-formula><mml:math id="M700" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M701" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d2e21023">In calculating the vertical flux of substances such as water vapor, the piecewise rational method (PRM; Xiao and Peng, 2004), which is a monotonic scheme, can be used to avoid negative values.</p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S2.SS4">
  <label>B4</label><title>Horizontal advection</title>
      <p id="d2e21034">Horizontal advection from [3] to [4] with Eqs. (B17) and (B19) is calculated using a typical two-dimensional horizontal semi-Lagrangian scheme. The horizontal departure point <inline-formula><mml:math id="M702" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is located upstream from the arrival point <inline-formula><mml:math id="M703" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> along the wind vector between <inline-formula><mml:math id="M704" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M705" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d2e21111">One way to calculate <inline-formula><mml:math id="M706" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is to use the following equation:

            <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E144" content-type="numbered"><label>B37</label><mml:math id="M707" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where SETTLS is adopted, which uses the time-extrapolated future value <inline-formula><mml:math id="M708" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at the departure point <inline-formula><mml:math id="M709" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The variable <inline-formula><mml:math id="M710" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is calculated by vertical remapping of <inline-formula><mml:math id="M711" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> using <inline-formula><mml:math id="M712" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M713" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Appendix B3). The variable <inline-formula><mml:math id="M714" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is calculated by vertical remapping of <inline-formula><mml:math id="M715" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M716" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M717" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> calculated from the following equations are used:
          

                <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E145" specific-use="gather" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M718" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E145.146"><mml:mtd><mml:mtext>B38a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E145.147"><mml:mtd><mml:mtext>B38b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E145.148"><mml:mtd><mml:mtext>B38c</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="2.0em">[</mml:mo><mml:mo mathsize="2.0em">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mo mathsize="2.0em">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo mathsize="2.0em">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mo mathsize="2.0em">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo mathsize="2.0em">]</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          Here, Eq. (B38a) is derived from Eqs. (B28) and (B25), where <inline-formula><mml:math id="M719" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">explicit</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is approximated by <inline-formula><mml:math id="M720" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Equations (B38b) and (B38c) are derived from Eqs. (B22) and (B20), respectively. It is better to use <inline-formula><mml:math id="M721" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> instead of <inline-formula><mml:math id="M722" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eq. (B37). However, when calculating horizontal advection from [3] to [4], <inline-formula><mml:math id="M723" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M724" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are not yet obtained, and <inline-formula><mml:math id="M725" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> cannot be calculated. Therefore, in Eq. (B37), <inline-formula><mml:math id="M726" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is used as a sufficiently accurate approximation of <inline-formula><mml:math id="M727" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d2e21859">By using Eq. (B37), the horizontal departure point <inline-formula><mml:math id="M728" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be calculated by iteration (e.g., Ritchie et al., 1995; Temperton et al., 2001). The value of <inline-formula><mml:math id="M729" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at the horizontal departure point <inline-formula><mml:math id="M730" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is calculated by the Lagrange interpolation from the values at the grid points near <inline-formula><mml:math id="M731" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Here, the fifth-order Lagrange interpolation is used.</p>
      <p id="d2e21949">The explicitly calculated provisional future value of the wind (Yoshimura, 2022) can also be used instead of the extrapolated future value <inline-formula><mml:math id="M732" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. <inline-formula><mml:math id="M733" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is used here because the results of the test cases in Sect. 3 are almost identical when the explicitly calculated provisional future value is used.</p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S2.SS5">
  <label>B5</label><title>Horizontal advection of a variable at half-levels</title>
      <p id="d2e21990">When calculating the advection <inline-formula><mml:math id="M734" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at half levels to obtain <inline-formula><mml:math id="M735" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M736" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is converted to <inline-formula><mml:math id="M737" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at full levels using the following equation:

            <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E149" content-type="numbered"><label>B39</label><mml:math id="M738" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          and then the advection of <inline-formula><mml:math id="M739" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is calculated using the vertically conservative semi-Lagrangian scheme provided in Appendix B2 to obtain <inline-formula><mml:math id="M740" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The value of <inline-formula><mml:math id="M741" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is calculated from the following equation:

            <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E150" content-type="numbered"><label>B40</label><mml:math id="M742" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle scriptlevel="+1"><mml:mtable class="substack"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mstyle></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          The method of vertically interpolating <inline-formula><mml:math id="M743" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> using Eq. (B40) to obtain <inline-formula><mml:math id="M744" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is more accurate than simply vertically interpolating <inline-formula><mml:math id="M745" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S2.SS6">
  <label>B6</label><title>Spatially averaged Eulerian treatment of mountains with horizontal mass advection</title>
      <p id="d2e22504">The spatially averaged Eulerian treatment of mountains, similar to that of Ritchie and Tanguay (1996) for a shallow-water model, is adopted when the horizontal mass advection is calculated. Ritchie and Tanguay (1996) showed that this type of treatment alleviates numerical problems associated with orographic forcing in semi-implicit semi-Lagrangian models. The approximate effect of <inline-formula><mml:math id="M746" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> on the surface pressure is defined here as

            <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E151" content-type="numbered"><label>B41</label><mml:math id="M747" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>≡</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">exp</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M748" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><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> (Pa) and <inline-formula><mml:math id="M749" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">280</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (K). Since <inline-formula><mml:math id="M750" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the following equation is satisfied:

            <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E152" content-type="numbered"><label>B42</label><mml:math id="M751" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M752" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Using Eq. (B42), Eq. (B5) becomes

            <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E153" content-type="numbered"><label>B43</label><mml:math id="M753" display="block"><mml:mrow><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          By discretizing Eq. (B43) in time in the same way as Eq. (B7), and using Eqs. (B9), (B11), (B14), (B20), (B22), and (B25), the following equation is obtained:

            <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E154" content-type="numbered"><label>B44</label><mml:math id="M754" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo mathsize="2.0em">[</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfenced><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo mathsize="2.0em">]</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          By using Eq. (B44) instead of Eq. (B17), the results near mountains are improved (Sect. 3.4).</p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S2.SS7">
  <label>B7</label><title>Semi-Lagrangian treatment of hydrostatic pressure change due to horizontal advection</title>
      <p id="d2e23105">Equation (C17c) below includes:

            <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E155" content-type="numbered"><label>B45</label><mml:math id="M755" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>≡</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:munderover><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:munderover><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          which represents the hydrostatic pressure change due to horizontal advection. The term <inline-formula><mml:math id="M756" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> represents the pressure change due to horizontal advection in the <inline-formula><mml:math id="M757" display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula>th layer, and the term <inline-formula><mml:math id="M758" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:munderover><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> represents the pressure change due to horizontal advection of mass in the layers above the <inline-formula><mml:math id="M759" display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula>th layer. The nonlinear terms related to horizontal advection in Eq. (B45) can be one of the sources of numerical instability with long timesteps. <inline-formula><mml:math id="M760" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be evaluated more appropriately in a semi-Lagrangian manner as follows:

            <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E156" content-type="numbered"><label>B46</label><mml:math id="M761" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfenced><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          Using Eqs. (B46) and (B17), Eq. (C17c) can be discretized as follows:

            <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E157" content-type="numbered"><label>B47</label><mml:math id="M762" 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:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi mathvariant="normal">adv</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="2.0em">[</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mfenced close="}" open="{"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo mathsize="2.0em">]</mml:mo><mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mo mathsize="2.0em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfenced><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>k</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfenced><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>k</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="2.0em">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfenced><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>k</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          Using Eq. (B47), instead of discretizing Eq. (C17c) in the usual way, improves the results in some cases when the timestep is long (Sect. 3.4). A similar semi-Lagrangian treatment is also used in the hydrostatic option of the model.</p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S2.SS8">
  <label>B8</label><title>Cubic Hermite interpolation to calculate the change in hydrostatic pressure with horizontal advection</title>
      <p id="d2e23861">To calculate <inline-formula><mml:math id="M763" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfenced><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at the horizontal departure point in Eq. (B47), piecewise cubic Hermite interpolation is used. The cubic Hermite interpolation requires the horizontal derivative and is computationally expensive if the horizontal derivative of <inline-formula><mml:math id="M764" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is calculated every timestep by transforming <inline-formula><mml:math id="M765" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from grid to spectral space and the horizontal derivative of <inline-formula><mml:math id="M766" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from spectral to grid space. Since <inline-formula><mml:math id="M767" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> has similar values to <inline-formula><mml:math id="M768" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Eq. B41) and the horizontal derivative <inline-formula><mml:math id="M769" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> only needs to be calculated once rather than at every timestep, <inline-formula><mml:math id="M770" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is interpolated using the cubic Hermite interpolation and the remaining <inline-formula><mml:math id="M771" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is interpolated using the fifth-order Lagrange interpolation. This method yields slightly better results than using only the fifth-order Lagrange interpolation in case Schär2 when the timestep is short and the departure point is near a grid point (Sect. 3.4).</p>
</sec>
</app>

<app id="App1.Ch1.S3">
  <label>Appendix C</label><title>Vertical discretization</title>
      <p id="d2e24196">The following vertical discretization method is used, which is similar to that of Bubnová et al. (1995), except for Eqs. (C1)–(C3) and (C19)–(C21) where the discretization is similar to that of Simmons and Burridge (1981):

              <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M772" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E158"><mml:mtd><mml:mtext>C1</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mfenced open="{" close=""><mml:mtable class="array" columnalign="left left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">for</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">for</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E159"><mml:mtd><mml:mtext>C2</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E160"><mml:mtd><mml:mtext>C3</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mfenced close="" open="{"><mml:mtable class="array" columnalign="left left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">for</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">for</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E161"><mml:mtd><mml:mtext>C4</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E162"><mml:mtd><mml:mtext>C5</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E163"><mml:mtd><mml:mtext>C6</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E164"><mml:mtd><mml:mtext>C7</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:mo mathsize="2.0em">[</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo mathsize="2.0em">]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E165"><mml:mtd><mml:mtext>C8</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E166"><mml:mtd><mml:mtext>C9</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E167"><mml:mtd><mml:mtext>C10</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>m</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="{" close=""><mml:mtable class="array" columnalign="left left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>See Sect. 2.3 </mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">for</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">for</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">for</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E168"><mml:mtd><mml:mtext>C11</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">F</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>m</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>m</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E169"><mml:mtd><mml:mtext>C12</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi><mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>m</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E170"><mml:mtd><mml:mtext>C13</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E171"><mml:mtd><mml:mtext>C14</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:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo mathvariant="italic" mathsize="2.0em">{</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="2.0em">[</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mo mathsize="2.0em">]</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mo mathvariant="italic" mathsize="2.0em">}</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="1.1em">[</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo mathsize="1.1em">]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.Ex1"><mml:mtd><mml:mtext>C14'</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:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="1.1em">[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo mathsize="1.1em">]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E172"><mml:mtd><mml:mtext>C15</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E173"><mml:mtd><mml:mtext>C16</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathvariant="italic" mathsize="2.0em">{</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mo mathsize="2.0em">[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:munderover><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo mathsize="2.0em">]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo mathvariant="italic" mathsize="2.0em">}</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

        

              <disp-formula id="App1.Ch1.S3.E174" specific-use="gather" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M773" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E174.175"><mml:mtd><mml:mtext>C17a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi mathvariant="normal">div</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi mathvariant="normal">adv</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E174.176"><mml:mtd><mml:mtext>C17b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi mathvariant="normal">div</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo mathsize="2.0em">[</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mo mathsize="2.0em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="2.0em">)</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:munderover><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo mathsize="2.0em">]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E174.177"><mml:mtd><mml:mtext>C17c</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi mathvariant="normal">adv</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mo mathsize="2.0em">[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:munderover><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo mathsize="2.0em">]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

              <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M774" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E178"><mml:mtd><mml:mtext>C18</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E179"><mml:mtd><mml:mtext>C19</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close="" open="{"><mml:mtable class="array" columnalign="left left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">for</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">for</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E180"><mml:mtd><mml:mtext>C20</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E181"><mml:mtd><mml:mtext>C21</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close="" open="{"><mml:mtable class="array" columnalign="left left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">for</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">for</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E182"><mml:mtd><mml:mtext>C22</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

        

              <disp-formula id="App1.Ch1.S3.E183" specific-use="gather" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M775" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E183.184"><mml:mtd><mml:mtext>C23a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo mathsize="1.1em">[</mml:mo><mml:msub><mml:mfenced open="{" close="}"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo mathsize="1.1em">]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E183.185"><mml:mtd><mml:mtext>C23b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

              <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M776" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E186"><mml:mtd><mml:mtext>C24</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:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">#</mml:mi></mml:msup><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">#</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">#</mml:mi></mml:msup><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">#</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo mathsize="2.0em">[</mml:mo><mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">#</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">#</mml:mi></mml:msup><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">#</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">#</mml:mi></mml:msup><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo mathsize="2.0em">]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.Ex2"><mml:mtd><mml:mtext>C24'</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">#</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">#</mml:mi></mml:msup><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E187"><mml:mtd><mml:mtext>C25</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="{" close=""><mml:mtable class="array" columnalign="left left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">for</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">for</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">for</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E188"><mml:mtd><mml:mtext>C26</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E189"><mml:mtd><mml:mtext>C27</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="italic">#</mml:mi></mml:msup><mml:mo mathsize="2.0em">[</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">#</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">#</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">#</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">#</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo mathsize="2.0em">]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.Ex3"><mml:mtd><mml:mtext>C27'</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="italic">#</mml:mi></mml:msup><mml:mo mathsize="2.0em">[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">#</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">#</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">#</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo mathsize="2.0em">]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E190"><mml:mtd><mml:mtext>C28</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

        

              <disp-formula id="App1.Ch1.S3.E191" specific-use="gather" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M777" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E191.192"><mml:mtd><mml:mtext>C29a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">S</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E191.193"><mml:mtd><mml:mtext>C29b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">S</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:munderover><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

        

              <disp-formula id="App1.Ch1.S3.E194" specific-use="gather" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M778" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E194.195"><mml:mtd><mml:mtext>C30a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">N</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E194.196"><mml:mtd><mml:mtext>C30b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">N</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:munderover><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

        

              <disp-formula id="App1.Ch1.S3.E197" specific-use="gather" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M779" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E197.198"><mml:mtd><mml:mtext>C31a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E197.199"><mml:mtd><mml:mtext>C31b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mfenced open="{" close=""><mml:mtable class="array" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mi mathvariant="normal">for</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="1.1em">[</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo mathsize="1.1em">]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mi mathvariant="normal">for</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">for</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          <disp-formula id="App1.Ch1.S3.E200" content-type="numbered"><label>C32</label><mml:math id="M780" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        In Eq. (C14), the relationship <inline-formula><mml:math id="M781" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is used (Bubnová et al., 1995). By using Eq. (14), Eq. (C14) becomes Eq. (C14') for <inline-formula><mml:math id="M782" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In Eq. (C17c), <inline-formula><mml:math id="M783" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi mathvariant="normal">adv</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be calculated using a semi-Lagrangian treatment of the pressure change due to horizontal advection (Appendix B7). In Eq. (C24), <inline-formula><mml:math id="M784" display="inline"><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:msup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">#</mml:mi></mml:msup><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">#</mml:mi></mml:msup><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is discretized as in Eq. (C10). See Eqs. (C14) and (C14') for the derivation of Eqs. (C27) and (C27'). Note that <inline-formula><mml:math id="M785" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M786" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> do not appear in Eqs. (C14') and (C27').</p>
</app>

<app id="App1.Ch1.S4">
  <label>Appendix D</label><title>Spectral transform</title>
      <p id="d2e29421">In the <inline-formula><mml:math id="M787" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>–<inline-formula><mml:math id="M788" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> non-hydrostatic spectral model, the variables <inline-formula><mml:math id="M789" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M790" display="inline"><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M791" display="inline"><mml:mi>u</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M792" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M793" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are expanded in the <inline-formula><mml:math id="M794" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> direction using the discrete Fourier transform. For example, <inline-formula><mml:math id="M795" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is expanded in the <inline-formula><mml:math id="M796" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> direction as follows:
        

              <disp-formula id="App1.Ch1.S4.E201" specific-use="gather" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M797" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S4.E201.202"><mml:mtd><mml:mtext>D1a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>≅</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>z</mml:mi></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">exp</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S4.E201.203"><mml:mtd><mml:mtext>D1b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>z</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>≡</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>z</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

        where <inline-formula><mml:math id="M798" display="inline"><mml:mi>m</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the wavenumber, <inline-formula><mml:math id="M799" display="inline"><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the truncation wavenumber, <inline-formula><mml:math id="M800" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>z</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a complex variable, and the superscript <inline-formula><mml:math id="M801" display="inline"><mml:mo>*</mml:mo></mml:math></inline-formula> represents the complex conjugate. Equation (D1a) can be converted as follows:
        

              <disp-formula id="App1.Ch1.S4.E204" specific-use="gather" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M802" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S4.E204.205"><mml:mtd><mml:mtext>D2a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>≅</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>z</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:munderover><mml:mo mathsize="2.0em">[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msubsup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>z</mml:mi></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">cos</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msubsup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>z</mml:mi></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">sin</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mo mathsize="2.0em">]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S4.E204.206"><mml:mtd><mml:mtext>D2b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msubsup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>z</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">Re</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>z</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msubsup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>z</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">Im</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>z</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

        where <inline-formula><mml:math id="M803" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Re</mml:mi></mml:math></inline-formula> represents the real part and <inline-formula><mml:math id="M804" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Im</mml:mi></mml:math></inline-formula> the imaginary part.</p>
      <p id="d2e29857">In a three-dimensional spectral model, the Fourier transform described above is used in the longitudinal direction. In the latitudinal direction, either the Legendre transform or the Fourier transform is used (e.g., Yoshimura, 2022).</p>
</app>

<app id="App1.Ch1.S5">
  <label>Appendix E</label><title>How to solve linear equations for the non-constant coefficient semi-implicit scheme</title>
      <p id="d2e29868">The method to solve the simultaneous equations (Eqs. 29a, 30a, 31a, 32, 33, and 36a) in the spectral model is described here. There are non-constant coefficient linear terms, <inline-formula><mml:math id="M805" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M806" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, in Eqs. (32), (33), and (36a), which contain <inline-formula><mml:math id="M807" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">#</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Because of these non-constant coefficient linear terms, the simultaneous equations cannot be easily solved.</p>
      <p id="d2e29926">The first approximate solution is obtained using the method described in Appendix E1. One of the following three methods is used to obtain the solution. <list list-type="bullet"><list-item>
      <p id="d2e29931">Method 1: The no-recalculation method that considers the first approximate solution as the final solution (Appendix E1).</p></list-item><list-item>
      <p id="d2e29935">Method 2: The single-recalculation method that only recalculates non-constant coefficient linear terms once (Appendix E2).</p></list-item><list-item>
      <p id="d2e29939">Method 3: The preconditioned GCR method (Appendix E3).</p></list-item></list> The computational cost and numerical stability change from low to high from Method 1 to Method 3.</p>
<sec id="App1.Ch1.S5.SS1">
  <label>E1</label><title>No-recalculation method to obtain a first approximate solution</title>
      <p id="d2e29950">To obtain a first approximate solution, the future values in the non-constant coefficient linear terms are replaced by the extrapolated future values. Substituting the extrapolated future value <inline-formula><mml:math id="M808" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> into <inline-formula><mml:math id="M809" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eqs. (32) and (33) gives
          

                <disp-formula id="App1.Ch1.S5.E207" specific-use="gather" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M810" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S5.E207.208"><mml:mtd><mml:mtext>E1a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>R</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">G</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">R</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S5.E207.209"><mml:mtd><mml:mtext>E1b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">k</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>×</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">R</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S5.E207.210"><mml:mtd><mml:mtext>E1c</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">R</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>≡</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">R</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          In the <inline-formula><mml:math id="M811" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>–<inline-formula><mml:math id="M812" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> model, substituting the extrapolated future value <inline-formula><mml:math id="M813" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> into <inline-formula><mml:math id="M814" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eq. (34) gives
          

                <disp-formula id="App1.Ch1.S5.E211" specific-use="gather" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M815" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S5.E211.212"><mml:mtd><mml:mtext>E2a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S5.E211.213"><mml:mtd><mml:mtext>E2b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>≡</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          which is used instead of Eqs. (E1b) and (E1c). Substituting the extrapolated future value <inline-formula><mml:math id="M816" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> into <inline-formula><mml:math id="M817" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eq. (36) gives
          

                <disp-formula id="App1.Ch1.S5.E214" specific-use="gather" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M818" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S5.E214.215"><mml:mtd><mml:mtext>E3a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S5.E214.216"><mml:mtd><mml:mtext>E3b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>≡</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="italic">#</mml:mi></mml:msup><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          The right sides of Eqs. (29a), (30a), (31a), (E1a), (E1b) (or E2a), and (E3a) are explicitly calculated in grid space and transformed to spectral space. Since the left sides of these equations contain only constant coefficient linear terms, these simultaneous equations can be easily solved in spectral space in a similar way as in Bubnová et al. (1995), as shown below. Substituting <inline-formula><mml:math id="M819" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from Eq. (29a), <inline-formula><mml:math id="M820" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from Eq. (30a), and <inline-formula><mml:math id="M821" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from Eq. (31a) into Eq. (E1a), and then using the relationship

            <disp-formula id="App1.Ch1.S5.E217" content-type="numbered"><label>E4</label><mml:math id="M822" display="block"><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          yields the following equations:
          

                <disp-formula id="App1.Ch1.S5.E218" specific-use="gather" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M823" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S5.E218.219"><mml:mtd><mml:mtext>E5a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">G</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S5.E218.220"><mml:mtd><mml:mtext>E5b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">G</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">G</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S5.E218.221"><mml:mtd><mml:mtext>E5c</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>G</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">R</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>R</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo mathsize="2.0em">[</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">G</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo mathsize="2.0em">]</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          Substituting <inline-formula><mml:math id="M824" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> into Eq. (30a) and into Eq. (E3a) leads to
          

                <disp-formula id="App1.Ch1.S5.E222" specific-use="gather" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M825" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S5.E222.223"><mml:mtd><mml:mtext>E6a</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:mtd><mml:mrow><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S5.E222.224"><mml:mtd><mml:mtext>E6b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>≡</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          When the vertical discretization of Bubnová et al. (1995) is used, <inline-formula><mml:math id="M826" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is satisfied. In the model, <inline-formula><mml:math id="M827" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is not satisfied because the vertical discretization of Simmons and Burridge (1981) is used in Eqs. (C1)–(C3) and (C19)–(C21). However, the simultaneous equations (E5a) and (E6a) can be solved when <inline-formula><mml:math id="M828" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. By vertically discretizing Eqs. (E5a) and (E6a), the following matrix equations are obtained:

                <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M829" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S5.E225"><mml:mtd><mml:mtext>E7</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">D</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">d</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">G</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S5.E226"><mml:mtd><mml:mtext>E8</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi mathvariant="bold">Y</mml:mi><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">d</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">D</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">H</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M830" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M831" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M832" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M833" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M834" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi></mml:math></inline-formula> represent <inline-formula><mml:math id="M835" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> square matrices, <inline-formula><mml:math id="M836" display="inline"><mml:mi>K</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the number of vertical layers, <inline-formula><mml:math id="M837" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the identity matrix, and <inline-formula><mml:math id="M838" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">Y</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the tri-diagonal matrix. Substituting

            <disp-formula id="App1.Ch1.S5.E227" content-type="numbered"><label>E8'</label><mml:math id="M839" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">d</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">D</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">H</mml:mi></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          obtained from Eq. (E8) into Eq. (E7) leads to

            <disp-formula id="App1.Ch1.S5.E228" content-type="numbered"><label>E9</label><mml:math id="M840" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">D</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">CY</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">D</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">G</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">CY</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">H</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          The eigenvalue decomposition (EVD) of the matrix <inline-formula><mml:math id="M841" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">CY</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> leads to

            <disp-formula id="App1.Ch1.S5.E229" content-type="numbered"><label>E10</label><mml:math id="M842" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">CY</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">U</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">TU</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M843" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a diagonal matrix. Substituting Eq. (E10) into Eq. (E9) leads to

            <disp-formula id="App1.Ch1.S5.E230" content-type="numbered"><label>E11</label><mml:math id="M844" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">U</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">D</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">U</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">D</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">U</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">G</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">CY</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">H</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          Equation (E11) consists of independent Helmholtz equations for each vertical level. Solving Eq. (E11) gives <inline-formula><mml:math id="M845" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">U</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">D</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and multiplying <inline-formula><mml:math id="M846" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">U</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> gives <inline-formula><mml:math id="M847" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">D</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Substituting <inline-formula><mml:math id="M848" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">D</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> into Eq. (E8') gives <inline-formula><mml:math id="M849" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">d</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Substituting <inline-formula><mml:math id="M850" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M851" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> into Eqs. (29), (30), and (31) gives <inline-formula><mml:math id="M852" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M853" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M854" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In this way, the first approximate solutions <inline-formula><mml:math id="M855" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M856" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M857" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M858" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M859" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are obtained.</p>
      <p id="d2e32047">In test cases without mountains, the first approximate solution obtained here can be used as the final solution without stability problems because the values of the non-constant coefficient linear terms <inline-formula><mml:math id="M860" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M861" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which contain <inline-formula><mml:math id="M862" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">#</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, are small. This method is referred to here as the no-recalculation method.</p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S5.SS2">
  <label>E2</label><title>Single-recalculation method</title>
      <p id="d2e32109">The simultaneous equations (Eqs. 29a, 30a, 31a, 32, 33, and 36a) can be written as

            <disp-formula id="App1.Ch1.S5.E231" content-type="numbered"><label>E12</label><mml:math id="M863" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M864" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:math></inline-formula> represents the variables <inline-formula><mml:math id="M865" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M866" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M867" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M868" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M869" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ln</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in spectral space. <inline-formula><mml:math id="M870" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi></mml:math></inline-formula> can be expressed as

            <disp-formula id="App1.Ch1.S5.E232" content-type="numbered"><label>E13</label><mml:math id="M871" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M872" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> represents the non-constant coefficient linear terms containing <inline-formula><mml:math id="M873" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">#</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the left side of Eqs. (32), (33), and (36a), and <inline-formula><mml:math id="M874" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi></mml:math></inline-formula> represents the constant coefficient linear terms. By using the no-recalculation method described in Appendix E1, where the future values in the non-constant coefficient linear terms are replaced by the extrapolated future values, the first approximate solution <inline-formula><mml:math id="M875" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is obtained by solving the simultaneous equations <inline-formula><mml:math id="M876" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in spectral space as follows:

            <disp-formula id="App1.Ch1.S5.E233" content-type="numbered"><label>E14</label><mml:math id="M877" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M878" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the extrapolated future value. The detailed computational procedure corresponding to Eq. (E14) is described in Appendix E1. In the single-recalculation method described here, a more accurate solution <inline-formula><mml:math id="M879" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is calculated by recalculating the non-constant coefficient linear terms using the first approximate solution <inline-formula><mml:math id="M880" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as follows:

            <disp-formula id="App1.Ch1.S5.E234" content-type="numbered"><label>E15</label><mml:math id="M881" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M882" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a parameter from 0.0 to 1.0. When <inline-formula><mml:math id="M883" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, Eq. (E15) becomes <inline-formula><mml:math id="M884" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which is the same as Eq. (E14) except that <inline-formula><mml:math id="M885" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is replaced by <inline-formula><mml:math id="M886" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The parameter <inline-formula><mml:math id="M887" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> corresponds to <inline-formula><mml:math id="M888" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Steps (6) and (7) in Appendix E3 below, where <inline-formula><mml:math id="M889" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is calculated with higher computational cost using the GCR method to ensure that the error is minimized. Since <inline-formula><mml:math id="M890" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is usually <inline-formula><mml:math id="M891" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> when using the GCR method in the test cases in Sect. 3, <inline-formula><mml:math id="M892" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.8</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is used instead of <inline-formula><mml:math id="M893" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which improves the numerical stability (Sect. 3.2). The term <inline-formula><mml:math id="M894" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eq. (E15) is calculated as follows: <inline-formula><mml:math id="M895" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in spectral space is transformed to grid space, <inline-formula><mml:math id="M896" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is calculated in grid space and transformed to spectral space, and <inline-formula><mml:math id="M897" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is calculated in spectral space. Applying <inline-formula><mml:math id="M898" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> corresponds to solving the simultaneous equations with the constant-coefficient linear terms in the same manner as in Appendix E1. The actual computational procedure to evaluate <inline-formula><mml:math id="M899" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eq. (E15) is as follows:  <inline-formula><mml:math id="M900" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is obtained from <inline-formula><mml:math id="M901" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M902" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M903" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M904" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are transformed from spectral space to grid space. Then, <inline-formula><mml:math id="M905" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M906" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M907" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are calculated in grid space, and <inline-formula><mml:math id="M908" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M909" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are transformed back to spectral space.</p>
      <p id="d2e33107">When it is necessary to obtain more accurate solutions, the preconditioned GCR method described in Appendix E3 can be used. However, the single-recalculation method using Eq. (E15) usually gives sufficiently accurate solutions, except for extremely steep mountain test cases (Sect. 3.3).</p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S5.SS3">
  <label>E3</label><title>Preconditioned GCR method</title>
      <p id="d2e33119">Equation (E12) can be solved with the preconditioned GCR method (Eisenstat et al., 1983; Thomas et al., 2003), which is a fast-convergent iterative method. A unique feature of the GCR method in the spectral model is that the equation is solved in spectral space, except for the non-constant coefficient linear terms, which are calculated in grid space. The solver for the equations with constant coefficient linear terms in spectral space (<inline-formula><mml:math id="M910" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>; Appendices E1 and E2) is used once per iteration as a preconditioner, which significantly improves the convergence of the iterations. Equation (E12) is solved as follows: <list list-type="bullet"><list-item>
      <p id="d2e33138">Step 1: Compute the first approximate solution <inline-formula><mml:math id="M911" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eq. (E14).</p></list-item><list-item>
      <p id="d2e33158">Step 2: Compute the residual <inline-formula><mml:math id="M912" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></list-item><list-item>
      <p id="d2e33252">Step 3: Compute the direction vector <inline-formula><mml:math id="M913" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">p</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></list-item><list-item>
      <p id="d2e33296">Step 4: Compute <inline-formula><mml:math id="M914" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">p</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></list-item><list-item>
      <p id="d2e33354">Step 5: Loop: <inline-formula><mml:math id="M915" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">max</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">_</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">iter</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M916" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">max</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">_</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">iter</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the maximum number of iterations.</p></list-item><list-item>
      <p id="d2e33410">Step 6: Compute <inline-formula><mml:math id="M917" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi>n</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi>n</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">p</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi>n</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>/</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">p</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi>n</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">p</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi>n</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></list-item><list-item>
      <p id="d2e33473">Step 7: Compute <inline-formula><mml:math id="M918" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi>n</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi>n</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">p</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi>n</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></list-item><list-item>
      <p id="d2e33520">Step 8: Compute <inline-formula><mml:math id="M919" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi>n</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi>n</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">p</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi>n</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></list-item><list-item>
      <p id="d2e33569">Step 9: Exit Loop if <inline-formula><mml:math id="M920" display="inline"><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (error threshold) or <inline-formula><mml:math id="M921" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">max</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">_</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">iter</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Here, <inline-formula><mml:math id="M922" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is an obtained solution.</p></list-item><list-item>
      <p id="d2e33653">Step 10: Compute <inline-formula><mml:math id="M923" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></list-item><list-item>
      <p id="d2e33689">Step 11: Compute <inline-formula><mml:math id="M924" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></list-item><list-item>
      <p id="d2e33744">Step 12: Compute <inline-formula><mml:math id="M925" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">p</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi>i</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>/</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">p</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi>i</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">p</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi>i</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M926" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></list-item><list-item>
      <p id="d2e33839">Step 13: Compute <inline-formula><mml:math id="M927" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">p</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:munderover><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">p</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi>i</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></list-item><list-item>
      <p id="d2e33898">Step 14: Compute <inline-formula><mml:math id="M928" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">p</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:munderover><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">p</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi>i</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></list-item><list-item>
      <p id="d2e33963">Step 15: End Loop.</p></list-item></list> Here, <inline-formula><mml:math id="M929" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi>n</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M930" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi>n</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M931" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">p</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi>n</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M932" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi></mml:math></inline-formula> are the values in spectral space, <inline-formula><mml:math id="M933" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> represents the non-constant coefficient linear operators, and <inline-formula><mml:math id="M934" display="inline"><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is an inner product. <inline-formula><mml:math id="M935" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mo>+</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Step 2 is evaluated as described in Appendix E2. <inline-formula><mml:math id="M936" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Steps 4 and 11 is evaluated once per iteration as follows: The variables <inline-formula><mml:math id="M937" display="inline"><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M938" display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M939" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi></mml:math></inline-formula> correspond to <inline-formula><mml:math id="M940" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M941" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi></mml:math></inline-formula> is obtained from <inline-formula><mml:math id="M942" display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M943" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Then, <inline-formula><mml:math id="M944" display="inline"><mml:mi mathvariant="script">Q</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M945" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi></mml:math></inline-formula> are transformed from spectral space to grid space, <inline-formula><mml:math id="M946" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M947" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are calculated in grid space, and the results are transformed back to spectral space. Note that Steps 10–14 are not executed if the loop is terminated in Step 9, including when <inline-formula><mml:math id="M948" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">max</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">_</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">iter</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The inner product of the variables <inline-formula><mml:math id="M949" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M950" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is calculated in spectral space using the following equation:

            <disp-formula id="App1.Ch1.S5.E235" content-type="numbered"><label>E16</label><mml:math id="M951" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>K</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:munderover><mml:mfenced close="}" open="{"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>A</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>B</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>K</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:munderover><mml:mo mathsize="2.0em" mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><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:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="2.0em">[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msubsup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msubsup><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msubsup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msubsup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msubsup><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msubsup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo mathsize="2.0em">]</mml:mo><mml:mo mathsize="2.0em" mathvariant="italic">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>K</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:munderover><mml:mo mathsize="2.0em" mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>+</mml:mo><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:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo mathsize="2.0em">[</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Re</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">Re</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Im</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">Im</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo mathsize="2.0em">]</mml:mo><mml:mo mathsize="2.0em" mathvariant="italic">}</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          where Eq. (D2) is used to transform the equation.</p>
</sec>
</app>

<app id="App1.Ch1.S6">
  <label>Appendix F</label><title>Rayleigh damping</title>
      <p id="d2e34625">In the mountain wave test cases in Sects. 3.2–3.4, Rayleigh damping on <inline-formula><mml:math id="M952" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula> similar to that of Klemp et al. (2008) is used. The equation for the Rayleigh damping is as follows:

          <disp-formula id="App1.Ch1.S6.E236" content-type="numbered"><label>F1</label><mml:math id="M953" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        and the vertical profile of <inline-formula><mml:math id="M954" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi></mml:math></inline-formula> is given as

          <disp-formula id="App1.Ch1.S6.E237" content-type="numbered"><label>F2</label><mml:math id="M955" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close="" open="{"><mml:mtable class="array" columnalign="left left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">max</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">for</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">max</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">max</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">sin</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mstyle><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">min</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">max</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">min</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">for</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">min</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">max</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">for</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">min</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        In the mountain wave test cases, <inline-formula><mml:math id="M956" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">max</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">25.0</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is used, except for case Schär2 where <inline-formula><mml:math id="M957" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">max</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">50.0</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is used.</p>
      <p id="d2e34850">In the implicit Rayleigh damping of Klemp et al. (2008), Eq. (F1) is discretized as follows:

          <disp-formula id="App1.Ch1.S6.E238" content-type="numbered"><label>F3</label><mml:math id="M958" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">new</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">old</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi mathvariant="normal">new</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        that is,

          <disp-formula id="App1.Ch1.S6.E239" content-type="numbered"><label>F4</label><mml:math id="M959" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">new</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">old</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        where <inline-formula><mml:math id="M960" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">old</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M961" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">new</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the values before and after applying Rayleigh damping, respectively. On the other hand, when solving Eq. (F1) analytically, the following equation is obtained:

          <disp-formula id="App1.Ch1.S6.E240" content-type="numbered"><label>F5</label><mml:math id="M962" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">new</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">old</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">exp</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        In cases Schär1 and Schär2, the results when using Eq. (F5) have less timestep dependency than those when using Eq. (F4). Therefore, Eq. (F5) is used here.</p>
</app>
  </app-group><notes notes-type="codeavailability"><title>Code availability</title>

      <p id="d2e35029">The source code of the two-dimensional <inline-formula><mml:math id="M963" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>–<inline-formula><mml:math id="M964" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> nonhydrostatic model is available on Zenodo at <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5281/zenodo.17935264" ext-link-type="DOI">10.5281/zenodo.17935264</ext-link> (Yoshimura, 2026a) and is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International license (CC BY-NC-SA 4.0).</p>
  </notes><notes notes-type="dataavailability"><title>Data availability</title>

      <p id="d2e35052">The output data from the model experiments are available at <uri>https://climate.mri-jma.go.jp/pub/archives/Yoshimura_Nonhydro_2D_XZ_Testcase</uri> (Yoshimura, 2026b).</p>
  </notes><notes notes-type="competinginterests"><title>Competing interests</title>

      <p id="d2e35061">The author has declared that there are no competing interests.</p>
  </notes><notes notes-type="disclaimer"><title>Disclaimer</title>

      <p id="d2e35067">Publisher's note: Copernicus Publications remains neutral with regard to jurisdictional claims made in the text, published maps, institutional affiliations, or any other geographical representation in this paper. The authors bear the ultimate responsibility for providing appropriate place names. Views expressed in the text are those of the authors and do not necessarily reflect the views of the publisher.</p>
  </notes><ack><title>Acknowledgements</title><p id="d2e35073">We are grateful to the model development members at MRI and JMA for their useful comments. We are also grateful to the referees for their comments, which helped us improve this paper.</p></ack><notes notes-type="reviewstatement"><title>Review statement</title>

      <p id="d2e35078">This paper was edited by Paul Ullrich and reviewed by Mark Taylor and one anonymous referee.</p>
  </notes><ref-list>
    <title>References</title>

      <ref id="bib1.bib1"><label>1</label><mixed-citation>Bénard, P.: Stability of semi-implicit and iterative centered-implicit time discretizations for various equation systems used in NWP, Mon. Weather Rev., 131, 2479–2491, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1175/1520-0493(2003)131&lt;2479:SOSAIC&gt;2.0.CO;2" ext-link-type="DOI">10.1175/1520-0493(2003)131&lt;2479:SOSAIC&gt;2.0.CO;2</ext-link>, 2003.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib2"><label>2</label><mixed-citation>Bénard, P., Mašek, J., and Smolíková, P.: Stability of Leapfrog Constant-Coefficients Semi-Implicit Schemes for the Fully Elastic System of Euler Equations: Case with Orography, Mon. Weather Rev., 133, 1065–1075, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1175/MWR2907.1" ext-link-type="DOI">10.1175/MWR2907.1</ext-link>, 2005.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib3"><label>3</label><mixed-citation>Bénard, P., Vivoda, J., Mašek, J., Smolíková, P., Yessad, K., Smith, Ch., Brožková, R., and Geleyn, J.-F.: Dynamical kernel of the Aladin–NH spectral limited-area model: Revised formulation and sensitivity experiments, Q. J. Roy. Meteor. Soc., 136, 155–169, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1002/qj.522" ext-link-type="DOI">10.1002/qj.522</ext-link>, 2010.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib4"><label>4</label><mixed-citation>Bubnová, R., Hello, G., Bénard, P., and Geleyn, J.-F.: Integration of the fully elastic equations cast in the hydrostatic pressure terrain-following coordinate in the framework of the ARPEGE/Aladin NWP system, Mon. Weather Rev., 123, 515–535, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1175/1520-0493(1995)123&lt;0515:IOTFEE&gt;2.0.CO;2" ext-link-type="DOI">10.1175/1520-0493(1995)123&lt;0515:IOTFEE&gt;2.0.CO;2</ext-link>, 1995.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib5"><label>5</label><mixed-citation>Dueben, P. D., Wedi, N., Saarinen, S., and Zeman, C.: Global simulations of the atmosphere at 1.45 km grid-spacing with the Integrated Forecasting System, J. Meteorol. Soc. Jpn., 98, 551–572, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.2151/jmsj.2020-016" ext-link-type="DOI">10.2151/jmsj.2020-016</ext-link>, 2020.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib6"><label>6</label><mixed-citation>Eisenstat, S. C., Elman, H. C., and Schultz, M. H.: Variational iterative methods for nonsymmetric systems of linear equations, SIAM J. Numer. Anal., 20, 345–357, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1137/0720023" ext-link-type="DOI">10.1137/0720023</ext-link>, 1983.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib7"><label>7</label><mixed-citation>Geleyn, J.-F. and Bubnová, R.: The fully-elastic equations cast in hydrostatic-pressure coordinate: Accuracy and stability aspects of the scheme as implemented in ARPEGE/ALADIN, Atmos.-Ocean, 35, 261–278, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1080/07055900.1997.9687351" ext-link-type="DOI">10.1080/07055900.1997.9687351</ext-link>, 1997.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib8"><label>8</label><mixed-citation>Gravel, S. and Staniforth, A.: A mass-conserving semi-Lagrangian scheme for the shallow-water equations, Mon. Weather Rev., 122, 243–248, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1175/1520-0493(1994)122&lt;0243:AMCSLS&gt;2.0.CO;2" ext-link-type="DOI">10.1175/1520-0493(1994)122&lt;0243:AMCSLS&gt;2.0.CO;2</ext-link>, 1994.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib9"><label>9</label><mixed-citation>Hortal, M.: The development and testing of a new two-time-level semi-Lagrangian scheme (SETTLS) in the ECMWF forecast model, Q. J. Roy. Meteor. Soc., 128, 1671–1687, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1002/qj.200212858314" ext-link-type="DOI">10.1002/qj.200212858314</ext-link>, 2002.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib10"><label>10</label><mixed-citation>JMA (Japan Meteorological Agency): Outline of the operational numerical weather prediction at the Japan Meteorological Agency, Appendix to WMO technical progress report on the global data-processing and forecasting system and numerical weather prediction, 229 pp., <uri>https://www.jma.go.jp/jma/jma-eng/jma-center/nwp/outline2019-nwp/index.htm</uri> (last access: 7 November 2026), 2019.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib11"><label>11</label><mixed-citation>Juang, H.-M. H.: A Reduced Spectral Transform for the NCEP Seasonal Forecast Global Spectral Atmospheric Model, Mon. Weather Rev., 132, 1019–1035, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1175/1520-0493(2004)132&lt;1019:ARSTFT&gt;2.0.CO;2" ext-link-type="DOI">10.1175/1520-0493(2004)132&lt;1019:ARSTFT&gt;2.0.CO;2</ext-link>, 2004.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib12"><label>12</label><mixed-citation>Katayama, K., Yoshimura, H., and Matsumura, T.: Operational Implementation of a new semi-Lagrangian global NWP model at JMA, CAS/JSC WGNE Research Activities in Atmospheric and Ocean Modelling, 35, 6.05–6.06, <uri>https://wgne.net/bluebook/uploads/2005/individual-articles/06_Katayama_Keiichi_WGNE2005_semiLag_test.pdf</uri> (last access: 7 November 2026), 2005.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib13"><label>13</label><mixed-citation>Klemp, J. B., Dudhia, J., and Hassiotis, A. D.: An Upper Gravity-Wave Absorbing Layer for NWP Applications, Mon. Weather Rev., 136, 3987–4004, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1175/2008MWR2596.1" ext-link-type="DOI">10.1175/2008MWR2596.1</ext-link>, 2008.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib14"><label>14</label><mixed-citation>Laprise, R.: The Euler equations of motion with hydrostatic pressure as an independent variable, Mon. Weather Rev., 120, 197–207, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1175/1520-0493(1992)120&lt;0197:TEEOMW&gt;2.0.CO;2" ext-link-type="DOI">10.1175/1520-0493(1992)120&lt;0197:TEEOMW&gt;2.0.CO;2</ext-link>, 1992.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib15"><label>15</label><mixed-citation>Li, X., Shen, X., Xiao, F., and Chen, C.: An MCV Nonhydrostatic Atmospheric Model with Height-Based Terrain following Coordinate: Tests of Waves over Steep Mountains, Adv. Meteorol., 2016, 12 pp., <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1155/2016/4513823" ext-link-type="DOI">10.1155/2016/4513823</ext-link>, 2016.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib16"><label>16</label><mixed-citation>Lin, S.-J.: A “Vertically Lagrangian” Finite-Volume Dynamical Core for Global Models, Mon. Weather Rev., 132, 2293–2307, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1175/1520-0493(2004)132&lt;2293:AVLFDC&gt;2.0.CO;2" ext-link-type="DOI">10.1175/1520-0493(2004)132&lt;2293:AVLFDC&gt;2.0.CO;2</ext-link>, 2004.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib17"><label>17</label><mixed-citation>Miyamoto, K.: Introduction of the Reduced Gaussian Grid into the Operational Global NWP model at JMA, CAS/JSC WGNE Research Activities in Atmospheric and Ocean Modelling, 36, 6.9–6.10, <uri>https://wgne.net/bluebook/uploads/2006/individual-articles/06_Miyamoto_Kengo_N__29677.pdf</uri> (last access: 7 November 2026), 2006.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib18"><label>18</label><mixed-citation>Miyamoto, K.: Recent Improvements to the JMA Global NWP Model, CAS/JSC WGNE Research Activities in Atmospheric and Ocean Modelling, 39, 6.9–6.10, <uri>https://wgne.net/bluebook/uploads/2009/individual-articles/06_Miyamoto_Kengo_WGNE-miyamoto.pdf</uri> (last access: 7 November 2026), 2009.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib19"><label>19</label><mixed-citation>Nakano, M., Wada, A., Sawada, M., Yoshimura, H., Onishi, R., Kawahara, S., Sasaki, W., Nasuno, T., Yamaguchi, M., Iriguchi, T., Sugi, M., and Takeuchi, Y.: Global 7 km mesh nonhydrostatic Model Intercomparison Project for improving TYphoon forecast (TYMIP-G7): experimental design and preliminary results, Geosci. Model Dev., 10, 1363–1381, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5194/gmd-10-1363-2017" ext-link-type="DOI">10.5194/gmd-10-1363-2017</ext-link>, 2017.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib20"><label>20</label><mixed-citation>Priestley, A.: A quasi-conservative version of the semi-Lagrangian advection scheme, Mon. Weather Rev., 121, 621–629, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1175/1520-0493(1993)121&lt;0621:AQCVOT&gt;2.0.CO;2" ext-link-type="DOI">10.1175/1520-0493(1993)121&lt;0621:AQCVOT&gt;2.0.CO;2</ext-link>, 1993.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib21"><label>21</label><mixed-citation>Ritchie, H. and Tanguay, M.: A comparison of spatially averaged Eulerian and semi-Lagrangian treatments of mountains, Mon. Weather Rev., 124, 167–181, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1175/1520-0493(1996)124&lt;0167:ACOSAE&gt;2.0.CO;2" ext-link-type="DOI">10.1175/1520-0493(1996)124&lt;0167:ACOSAE&gt;2.0.CO;2</ext-link>, 1996.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib22"><label>22</label><mixed-citation>Ritchie, H., Temperton, C., and Simmons, A.: Implementation of the semi-Lagrangian method in a high-resolution version of the ECMWF forecast model, Mon. Weather Rev., 123, 489–514, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1175/1520-0493(1995)123&lt;0489:IOTSLM&gt;2.0.CO;2" ext-link-type="DOI">10.1175/1520-0493(1995)123&lt;0489:IOTSLM&gt;2.0.CO;2</ext-link>, 1995.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib23"><label>23</label><mixed-citation>Rivest, C., Staniforth, A., and Robert, A.: Spurious resonant response of semi-Lagrangian discretizations to orographic forcing: Diagnosis and solution, Mon. Weather Rev., 122, 366–376, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1175/1520-0493(1994)122&lt;0366:SRROSL&gt;2.0.CO;2" ext-link-type="DOI">10.1175/1520-0493(1994)122&lt;0366:SRROSL&gt;2.0.CO;2</ext-link>, 1994.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib24"><label>24</label><mixed-citation>Robert, A.: A stable numerical integration scheme for the primitive meteorological equations, Atmos. Ocean., 19, 35–46, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1080/07055900.1981.9649098" ext-link-type="DOI">10.1080/07055900.1981.9649098</ext-link>, 1981.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib25"><label>25</label><mixed-citation>Robert, A.: Bubble convection experiments with a semi-implicit formulation of the euler equations, J. Atmos. Sci., 50, 1865–1873, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1175/1520-0469(1993)050&lt;1865:BCEWAS&gt;2.0.CO;2" ext-link-type="DOI">10.1175/1520-0469(1993)050&lt;1865:BCEWAS&gt;2.0.CO;2</ext-link>, 1993.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib26"><label>26</label><mixed-citation>Satomura, T., Iwasaki, T., Saito, K., Muroi, C., and Tsuboki, K.: Accuracy of terrain following coordinates over isolated mountain: Steep mountain model intercomparison project (St-MIP), Annuals of Disas. Prev. Res. Inst., Kyoto Univ., 46B, 337–346, <uri>https://www.dpri.kyoto-u.ac.jp/nenpo/no46/46b0/a46b0t33.pdf</uri> (last access: 7 November 2026), 2003.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib27"><label>27</label><mixed-citation>Schär, C., Leuenberger, D., Fuhrer, O., Lüthi, D., and Girard, C.: A new terrain-following vertical coordinate formulation for atmospheric prediction models, Mon. Weather Rev., 130, 2459–2480, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1175/1520-0493(2002)130&lt;2459:ANTFVC&gt;2.0.CO;2" ext-link-type="DOI">10.1175/1520-0493(2002)130&lt;2459:ANTFVC&gt;2.0.CO;2</ext-link>, 2002.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib28"><label>28</label><mixed-citation>Simmons, A. J. and Burridge, D. M.: An energy and angular-momentum conserving vertical finite-difference scheme and hybrid vertical coordinates, Mon. Weather Rev., 109, 758–766, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1175/1520-0493(1981)109&lt;0758:AEAAMC&gt;2.0.CO;2" ext-link-type="DOI">10.1175/1520-0493(1981)109&lt;0758:AEAAMC&gt;2.0.CO;2</ext-link>, 1981.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib29"><label>29</label><mixed-citation>Simmons, A. J. and Temperton, C.: Stability of a two-time-level semi-implicit integration scheme for gravity wave motion, Mon. Weather Rev., 125, 600–615, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1175/1520-0493(1997)125&lt;0600:SOATTL&gt;2.0.CO;2" ext-link-type="DOI">10.1175/1520-0493(1997)125&lt;0600:SOATTL&gt;2.0.CO;2</ext-link>, 1997.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib30"><label>30</label><mixed-citation>Skamarock, W. C. and Klemp, J. B.: Efficiency and accuracy of the Klemp-Wilhelmson time-splitting technique, Mon. Weather Rev., 122, 2623–2630, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1175/1520-0493(1994)122&lt;2623:EAAOTK&gt;2.0.CO;2" ext-link-type="DOI">10.1175/1520-0493(1994)122&lt;2623:EAAOTK&gt;2.0.CO;2</ext-link>, 1994.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib31"><label>31</label><mixed-citation>Skamarock, W. C., Smolarkiewicz, P. K., and Klemp, J. B.: Preconditioned conjugate-residual solves for Helmholtz equations in nonhydrostatic models, Mon. Weather Rev., 125, 587–599, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1175/1520-0493(1997)125&lt;0587:PCRSFH&gt;2.0.CO;2" ext-link-type="DOI">10.1175/1520-0493(1997)125&lt;0587:PCRSFH&gt;2.0.CO;2</ext-link>, 1997.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib32"><label>32</label><mixed-citation>Smith, R. B.: The influence of mountains on the atmosphere, Adv. Geophys., 21, 87–230, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1016/S0065-2687(08)60262-9" ext-link-type="DOI">10.1016/S0065-2687(08)60262-9</ext-link>, 1979.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib33"><label>33</label><mixed-citation>Straka, J. M., Wilhelmson, R. B., Wicker, L. J., Anderson, J. R., and Droegemeier, K. K.: Numerical solutions of a non-linear density current: A benchmark solution and comparisons, Int. J. Numer. Meth. Fl., 17, 1–22, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1002/fld.1650170103" ext-link-type="DOI">10.1002/fld.1650170103</ext-link>, 1993.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib34"><label>34</label><mixed-citation>Temperton, C., Hortal, M., and Simmons, A.: A two-time-level semi-Lagrangian global spectral model, Q. J. Roy. Meteor. Soc., 127, 111–127, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1002/qj.49712757107" ext-link-type="DOI">10.1002/qj.49712757107</ext-link>, 2001.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib35"><label>35</label><mixed-citation>Thomas, S. J., Hacker, J. P., Smolarkiewicz, P. K., and Stull, R. B.: Spectral preconditioners for nonhydrostatic atmospheric models, Mon. Weather Rev., 131, 2464–2478, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1175/1520-0493(2003)131&lt;2464:SPFNAM&gt;2.0.CO;2" ext-link-type="DOI">10.1175/1520-0493(2003)131&lt;2464:SPFNAM&gt;2.0.CO;2</ext-link>, 2003.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib36"><label>36</label><mixed-citation>Vivoda, J., Polichtchouk, I., Diamantakis, M., and Váňa, F.: The non-hydrostatic option of the ECMWF global weather forecast model: Improvements for kilometre-scale modelling, Q. J. Roy. Meteor. Soc., 152, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1002/qj.70144" ext-link-type="DOI">10.1002/qj.70144</ext-link>, 2026.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib37"><label>37</label><mixed-citation>Wedi, N. P. and Smolarkiewicz, P. K.: A framework for testing global non-hydrostatic models, Q. J. Roy. Meteor. Soc., 135, 469–484, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1002/qj.377" ext-link-type="DOI">10.1002/qj.377</ext-link>, 2009.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib38"><label>38</label><mixed-citation>Wedi, N. P., Polichtchouk, I., Dueben, P., Anantharaj, V. G., Bauer, P., Boussetta, S., Browne, P., Deconinck, W., Gaudin, W., Hadade, I., Hatfield, S., Iffrig, O., Lopez, P., Maciel, P., Mueller, A., Saarinen, S., Sandu, I., Quintino, T., and Vitart, F.: A baseline for global weather and climate simulations at 1 km resolution, J. Adv. Model. Earth Sy., 12, 17 pp., <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/2020MS002192" ext-link-type="DOI">10.1029/2020MS002192</ext-link>, 2020.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib39"><label>39</label><mixed-citation>Wong, M., Skamarock, W. C., Lauritzen, P. H., Klemp, J. B., and Stull, R. B.: A Compressible Nonhydrostatic Cell-Integrated Semi-Lagrangian Semi-Implicit Solver (CSLAM-NH) with Consistent and Conservative Transport, Mon. Weather Rev., 142, 1669–1687, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1175/MWR-D-13-00210.1" ext-link-type="DOI">10.1175/MWR-D-13-00210.1</ext-link>, 2014.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib40"><label>40</label><mixed-citation>Xiao, F. and Peng, X.: A convexity preserving scheme for conservative advection transport, J. Comput. Phys., 198, 389–402, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1016/j.jcp.2004.01.013" ext-link-type="DOI">10.1016/j.jcp.2004.01.013</ext-link>, 2004.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib41"><label>41</label><mixed-citation>Yoshimura, H.: Development of a nonhydrostatic global spectral atmospheric model using double Fourier series, CAS/JSC WGNE Research Activities in Atmospheric and Ocean Modelling, 42, 3.05–3.06, <uri>https://wgne.net/bluebook/uploads/2012/individual-articles/03_Yoshimura_Hiromasa_WGNE_Yoshimura_1203.pdf</uri> (last access: 7 November 2026), 2012.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib42"><label>42</label><mixed-citation>Yoshimura, H.: Improved double Fourier series on a sphere and its application to a semi-implicit semi-Lagrangian shallow-water model, Geosci. Model Dev., 15, 2561–2597, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5194/gmd-15-2561-2022" ext-link-type="DOI">10.5194/gmd-15-2561-2022</ext-link>, 2022.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib43"><label>43</label><mixed-citation>Yoshimura, H.: Nonhydro_XZ v1.1, Zenodo [code], <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5281/zenodo.17935264" ext-link-type="DOI">10.5281/zenodo.17935264</ext-link>, 2026a.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib44"><label>44</label><mixed-citation>Yoshimura, H.: Yoshimura_Nonhydro_2D_XZ_Testcase, Meteorological Research Institute Japan Meteorological Agency,  Research Data Server [data set], <uri>https://climate.mri-jma.go.jp/pub/archives/Yoshimura_Nonhydro_2D_XZ_Testcase</uri> (last access: 7 November 2026), 2026b.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib45"><label>45</label><mixed-citation>Yoshimura, H. and Matsumura, T.: A Semi-Lagrangian Scheme Conservative in the Vertical Direction, CAS/JSC WGNE Research Activities in Atmospheric and Ocean Modelling, 33, 3.19–3.20, <uri>https://wgne.net/bluebook/uploads/2003/individual-articles/03-yoshimura.pdf</uri> (last access: 7 November 2026), 2003. </mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib46"><label>46</label><mixed-citation>Yoshimura, H. and Matsumura, T.: A two-time-level vertically conservative semi-Lagrangian semi-implicit double Fourier series AGCM, CAS/JSC WGNE Research Activities in Atmospheric and Ocean Modelling, 35, 3.25–3.26, <uri>https://wgne.net/bluebook/uploads/2005/individual-articles/03_Yoshimura_Hiromasa_03_yoshimura_hiromasa_2tl-dfs.pdf</uri> (last access: 7 November 2026), 2005.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib47"><label>47</label><mixed-citation>Yukimoto, S., Yoshimura, H., Hosaka, M., Sakami, T., Tsujino, H., Hirabara, M., Tanaka, T. Y., Deushi, M., Obata, A., Nakano, H., Adachi, Y., Shindo, E., Yabu, S., Ose, T., and Kitoh, A.: Meteorological Research Institute-Earth System Model Version 1 (MRI-ESM1) – Model Description, Technical Reports of the Meteorological Research Institute, No. 64, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.11483/mritechrepo.64" ext-link-type="DOI">10.11483/mritechrepo.64</ext-link>, 2011.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib48"><label>48</label><mixed-citation>Yukimoto, S., Kawai, H., Koshiro, T., Oshima, N., Yoshida, K., Urakawa, S., Tsujino, H., Deushi, M., Tanaka, T., Hosaka, M., Yabu, S., Yoshimura, H., Shindo, E., Mizuta, R., Obata, A., Adachi, Y., and Ishii, M.: The Meteorological Research Institute Earth System Model Version 2.0, MRI-ESM2.0: Description and Basic Evaluation of the Physical Component, J. Meteorol. Soc. Jpn., 97, 931–965, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.2151/jmsj.2019-051" ext-link-type="DOI">10.2151/jmsj.2019-051</ext-link>, 2019.</mixed-citation></ref>

  </ref-list></back>
    <!--<article-title-html>Development and improvement of a nonhydrostatic spectral model using non-constant coefficient semi-implicit and vertically conservative semi-Lagrangian schemes</article-title-html>
<abstract-html/>
<ref-html id="bib1.bib1"><label>1</label><mixed-citation>
      
Bénard, P.: Stability of semi-implicit and iterative centered-implicit time discretizations for various equation systems used in NWP, Mon. Weather Rev., 131, 2479–2491, <a href="https://doi.org/10.1175/1520-0493(2003)131&lt;2479:SOSAIC&gt;2.0.CO;2" target="_blank">https://doi.org/10.1175/1520-0493(2003)131&lt;2479:SOSAIC&gt;2.0.CO;2</a>, 2003.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib2"><label>2</label><mixed-citation>
      
Bénard, P., Mašek, J., and Smolíková, P.: Stability of Leapfrog Constant-Coefficients Semi-Implicit Schemes for the Fully Elastic System of Euler Equations: Case with Orography, Mon. Weather Rev., 133, 1065–1075, <a href="https://doi.org/10.1175/MWR2907.1" target="_blank">https://doi.org/10.1175/MWR2907.1</a>, 2005.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib3"><label>3</label><mixed-citation>
      
Bénard, P., Vivoda, J., Mašek, J., Smolíková, P., Yessad, K., Smith, Ch., Brožková, R., and Geleyn, J.-F.: Dynamical kernel of the Aladin–NH spectral limited-area model: Revised formulation and sensitivity experiments, Q. J. Roy. Meteor. Soc., 136, 155–169, <a href="https://doi.org/10.1002/qj.522" target="_blank">https://doi.org/10.1002/qj.522</a>, 2010.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib4"><label>4</label><mixed-citation>
      
Bubnová, R., Hello, G., Bénard, P., and Geleyn, J.-F.: Integration of the fully elastic equations cast in the hydrostatic pressure terrain-following coordinate in the framework of the ARPEGE/Aladin NWP system, Mon. Weather Rev., 123, 515–535, <a href="https://doi.org/10.1175/1520-0493(1995)123&lt;0515:IOTFEE&gt;2.0.CO;2" target="_blank">https://doi.org/10.1175/1520-0493(1995)123&lt;0515:IOTFEE&gt;2.0.CO;2</a>, 1995.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib5"><label>5</label><mixed-citation>
      
Dueben, P. D., Wedi, N., Saarinen, S., and Zeman, C.: Global simulations of the atmosphere at 1.45&thinsp;km grid-spacing with the Integrated Forecasting System, J. Meteorol. Soc. Jpn., 98, 551–572, <a href="https://doi.org/10.2151/jmsj.2020-016" target="_blank">https://doi.org/10.2151/jmsj.2020-016</a>, 2020.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib6"><label>6</label><mixed-citation>
      
Eisenstat, S. C., Elman, H. C., and Schultz, M. H.: Variational iterative methods for nonsymmetric systems of linear equations, SIAM J. Numer. Anal., 20, 345–357, <a href="https://doi.org/10.1137/0720023" target="_blank">https://doi.org/10.1137/0720023</a>, 1983.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib7"><label>7</label><mixed-citation>
      
Geleyn, J.-F. and Bubnová, R.: The fully-elastic equations cast in hydrostatic-pressure coordinate: Accuracy and stability aspects of the scheme as implemented in ARPEGE/ALADIN, Atmos.-Ocean, 35, 261–278, <a href="https://doi.org/10.1080/07055900.1997.9687351" target="_blank">https://doi.org/10.1080/07055900.1997.9687351</a>, 1997.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib8"><label>8</label><mixed-citation>
      
Gravel, S. and Staniforth, A.: A mass-conserving semi-Lagrangian scheme for the shallow-water equations, Mon. Weather Rev., 122, 243–248, <a href="https://doi.org/10.1175/1520-0493(1994)122&lt;0243:AMCSLS&gt;2.0.CO;2" target="_blank">https://doi.org/10.1175/1520-0493(1994)122&lt;0243:AMCSLS&gt;2.0.CO;2</a>, 1994.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib9"><label>9</label><mixed-citation>
      
Hortal, M.: The development and testing of a new two-time-level semi-Lagrangian scheme (SETTLS) in the ECMWF forecast model, Q. J. Roy. Meteor. Soc., 128, 1671–1687, <a href="https://doi.org/10.1002/qj.200212858314" target="_blank">https://doi.org/10.1002/qj.200212858314</a>, 2002.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib10"><label>10</label><mixed-citation>
      
JMA (Japan Meteorological Agency): Outline of the operational numerical weather prediction at the Japan Meteorological Agency, Appendix to WMO technical progress report on the global data-processing and forecasting system and numerical weather prediction, 229 pp., <a href="https://www.jma.go.jp/jma/jma-eng/jma-center/nwp/outline2019-nwp/index.htm" target="_blank"/> (last access: 7 November 2026), 2019.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib11"><label>11</label><mixed-citation>
      
Juang, H.-M. H.: A Reduced Spectral Transform for the NCEP Seasonal Forecast Global Spectral Atmospheric Model, Mon. Weather Rev., 132, 1019–1035, <a href="https://doi.org/10.1175/1520-0493(2004)132&lt;1019:ARSTFT&gt;2.0.CO;2" target="_blank">https://doi.org/10.1175/1520-0493(2004)132&lt;1019:ARSTFT&gt;2.0.CO;2</a>, 2004.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib12"><label>12</label><mixed-citation>
      
Katayama, K., Yoshimura, H., and Matsumura, T.: Operational Implementation of a new semi-Lagrangian global NWP model at JMA, CAS/JSC WGNE Research Activities in Atmospheric and Ocean Modelling, 35, 6.05–6.06, <a href="https://wgne.net/bluebook/uploads/2005/individual-articles/06_Katayama_Keiichi_WGNE2005_semiLag_test.pdf" target="_blank"/> (last access: 7 November 2026), 2005.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib13"><label>13</label><mixed-citation>
      
Klemp, J. B., Dudhia, J., and Hassiotis, A. D.: An Upper Gravity-Wave Absorbing Layer for NWP Applications, Mon. Weather Rev., 136, 3987–4004, <a href="https://doi.org/10.1175/2008MWR2596.1" target="_blank">https://doi.org/10.1175/2008MWR2596.1</a>, 2008.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib14"><label>14</label><mixed-citation>
      
Laprise, R.: The Euler equations of motion with hydrostatic pressure as an independent variable, Mon. Weather Rev., 120, 197–207, <a href="https://doi.org/10.1175/1520-0493(1992)120&lt;0197:TEEOMW&gt;2.0.CO;2" target="_blank">https://doi.org/10.1175/1520-0493(1992)120&lt;0197:TEEOMW&gt;2.0.CO;2</a>, 1992.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib15"><label>15</label><mixed-citation>
      
Li, X., Shen, X., Xiao, F., and Chen, C.: An MCV Nonhydrostatic Atmospheric Model with Height-Based Terrain following Coordinate: Tests of Waves over Steep Mountains, Adv. Meteorol., 2016, 12 pp., <a href="https://doi.org/10.1155/2016/4513823" target="_blank">https://doi.org/10.1155/2016/4513823</a>, 2016.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib16"><label>16</label><mixed-citation>
      
Lin, S.-J.: A “Vertically Lagrangian” Finite-Volume Dynamical Core for Global Models, Mon. Weather Rev., 132, 2293–2307, <a href="https://doi.org/10.1175/1520-0493(2004)132&lt;2293:AVLFDC&gt;2.0.CO;2" target="_blank">https://doi.org/10.1175/1520-0493(2004)132&lt;2293:AVLFDC&gt;2.0.CO;2</a>, 2004.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib17"><label>17</label><mixed-citation>
      
Miyamoto, K.: Introduction of the Reduced Gaussian Grid into the Operational Global NWP model at JMA, CAS/JSC WGNE Research Activities in Atmospheric and Ocean Modelling, 36, 6.9–6.10, <a href="https://wgne.net/bluebook/uploads/2006/individual-articles/06_Miyamoto_Kengo_N__29677.pdf" target="_blank"/> (last access: 7 November 2026), 2006.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib18"><label>18</label><mixed-citation>
      
Miyamoto, K.: Recent Improvements to the JMA Global NWP Model, CAS/JSC WGNE Research Activities in Atmospheric and Ocean Modelling, 39, 6.9–6.10, <a href="https://wgne.net/bluebook/uploads/2009/individual-articles/06_Miyamoto_Kengo_WGNE-miyamoto.pdf" target="_blank"/> (last access: 7 November 2026), 2009.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib19"><label>19</label><mixed-citation>
      
Nakano, M., Wada, A., Sawada, M., Yoshimura, H., Onishi, R., Kawahara, S., Sasaki, W., Nasuno, T., Yamaguchi, M., Iriguchi, T., Sugi, M., and Takeuchi, Y.: Global 7&thinsp;km mesh nonhydrostatic Model Intercomparison Project for improving TYphoon forecast (TYMIP-G7): experimental design and preliminary results, Geosci. Model Dev., 10, 1363–1381, <a href="https://doi.org/10.5194/gmd-10-1363-2017" target="_blank">https://doi.org/10.5194/gmd-10-1363-2017</a>, 2017.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib20"><label>20</label><mixed-citation>
      
Priestley, A.: A quasi-conservative version of the semi-Lagrangian advection scheme, Mon. Weather Rev., 121, 621–629, <a href="https://doi.org/10.1175/1520-0493(1993)121&lt;0621:AQCVOT&gt;2.0.CO;2" target="_blank">https://doi.org/10.1175/1520-0493(1993)121&lt;0621:AQCVOT&gt;2.0.CO;2</a>, 1993.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib21"><label>21</label><mixed-citation>
      
Ritchie, H. and Tanguay, M.: A comparison of spatially averaged Eulerian and semi-Lagrangian treatments of mountains, Mon. Weather Rev., 124, 167–181, <a href="https://doi.org/10.1175/1520-0493(1996)124&lt;0167:ACOSAE&gt;2.0.CO;2" target="_blank">https://doi.org/10.1175/1520-0493(1996)124&lt;0167:ACOSAE&gt;2.0.CO;2</a>, 1996.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib22"><label>22</label><mixed-citation>
      
Ritchie, H., Temperton, C., and Simmons, A.: Implementation of the semi-Lagrangian method in a high-resolution version of the ECMWF forecast model, Mon. Weather Rev., 123, 489–514, <a href="https://doi.org/10.1175/1520-0493(1995)123&lt;0489:IOTSLM&gt;2.0.CO;2" target="_blank">https://doi.org/10.1175/1520-0493(1995)123&lt;0489:IOTSLM&gt;2.0.CO;2</a>, 1995.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib23"><label>23</label><mixed-citation>
      
Rivest, C., Staniforth, A., and Robert, A.: Spurious resonant response of semi-Lagrangian discretizations to orographic forcing: Diagnosis and solution, Mon. Weather Rev., 122, 366–376, <a href="https://doi.org/10.1175/1520-0493(1994)122&lt;0366:SRROSL&gt;2.0.CO;2" target="_blank">https://doi.org/10.1175/1520-0493(1994)122&lt;0366:SRROSL&gt;2.0.CO;2</a>, 1994.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib24"><label>24</label><mixed-citation>
      
Robert, A.: A stable numerical integration scheme for the primitive meteorological equations, Atmos. Ocean., 19, 35–46, <a href="https://doi.org/10.1080/07055900.1981.9649098" target="_blank">https://doi.org/10.1080/07055900.1981.9649098</a>, 1981.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib25"><label>25</label><mixed-citation>
      
Robert, A.: Bubble convection experiments with a semi-implicit formulation of the euler equations, J. Atmos. Sci., 50, 1865–1873, <a href="https://doi.org/10.1175/1520-0469(1993)050&lt;1865:BCEWAS&gt;2.0.CO;2" target="_blank">https://doi.org/10.1175/1520-0469(1993)050&lt;1865:BCEWAS&gt;2.0.CO;2</a>, 1993.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib26"><label>26</label><mixed-citation>
      
Satomura, T., Iwasaki, T., Saito, K., Muroi, C., and Tsuboki, K.: Accuracy of terrain following coordinates over isolated mountain: Steep mountain model intercomparison project (St-MIP), Annuals of Disas. Prev. Res. Inst., Kyoto Univ., 46B, 337–346, <a href="https://www.dpri.kyoto-u.ac.jp/nenpo/no46/46b0/a46b0t33.pdf" target="_blank"/> (last access: 7 November 2026), 2003.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib27"><label>27</label><mixed-citation>
      
Schär, C., Leuenberger, D., Fuhrer, O., Lüthi, D., and Girard, C.: A new terrain-following vertical coordinate formulation for atmospheric prediction models, Mon. Weather Rev., 130, 2459–2480, <a href="https://doi.org/10.1175/1520-0493(2002)130&lt;2459:ANTFVC&gt;2.0.CO;2" target="_blank">https://doi.org/10.1175/1520-0493(2002)130&lt;2459:ANTFVC&gt;2.0.CO;2</a>, 2002.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib28"><label>28</label><mixed-citation>
      
Simmons, A. J. and Burridge, D. M.: An energy and angular-momentum conserving vertical finite-difference scheme and hybrid vertical coordinates, Mon. Weather Rev., 109, 758–766, <a href="https://doi.org/10.1175/1520-0493(1981)109&lt;0758:AEAAMC&gt;2.0.CO;2" target="_blank">https://doi.org/10.1175/1520-0493(1981)109&lt;0758:AEAAMC&gt;2.0.CO;2</a>, 1981.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib29"><label>29</label><mixed-citation>
      
Simmons, A. J. and Temperton, C.: Stability of a two-time-level semi-implicit integration scheme for gravity wave motion, Mon. Weather Rev., 125, 600–615, <a href="https://doi.org/10.1175/1520-0493(1997)125&lt;0600:SOATTL&gt;2.0.CO;2" target="_blank">https://doi.org/10.1175/1520-0493(1997)125&lt;0600:SOATTL&gt;2.0.CO;2</a>, 1997.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib30"><label>30</label><mixed-citation>
      
Skamarock, W. C. and Klemp, J. B.: Efficiency and accuracy of the Klemp-Wilhelmson time-splitting technique, Mon. Weather Rev., 122, 2623–2630, <a href="https://doi.org/10.1175/1520-0493(1994)122&lt;2623:EAAOTK&gt;2.0.CO;2" target="_blank">https://doi.org/10.1175/1520-0493(1994)122&lt;2623:EAAOTK&gt;2.0.CO;2</a>, 1994.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib31"><label>31</label><mixed-citation>
      
Skamarock, W. C., Smolarkiewicz, P. K., and Klemp, J. B.: Preconditioned conjugate-residual solves for Helmholtz equations in nonhydrostatic models, Mon. Weather Rev., 125, 587–599, <a href="https://doi.org/10.1175/1520-0493(1997)125&lt;0587:PCRSFH&gt;2.0.CO;2" target="_blank">https://doi.org/10.1175/1520-0493(1997)125&lt;0587:PCRSFH&gt;2.0.CO;2</a>, 1997.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib32"><label>32</label><mixed-citation>
      
Smith, R. B.: The influence of mountains on the atmosphere, Adv. Geophys., 21, 87–230, <a href="https://doi.org/10.1016/S0065-2687(08)60262-9" target="_blank">https://doi.org/10.1016/S0065-2687(08)60262-9</a>, 1979.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib33"><label>33</label><mixed-citation>
      
Straka, J. M., Wilhelmson, R. B., Wicker, L. J., Anderson, J. R., and Droegemeier, K. K.: Numerical solutions of a non-linear density current: A benchmark solution and comparisons, Int. J. Numer. Meth. Fl., 17, 1–22, <a href="https://doi.org/10.1002/fld.1650170103" target="_blank">https://doi.org/10.1002/fld.1650170103</a>, 1993.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib34"><label>34</label><mixed-citation>
      
Temperton, C., Hortal, M., and Simmons, A.: A two-time-level semi-Lagrangian global spectral model, Q. J. Roy. Meteor. Soc., 127, 111–127, <a href="https://doi.org/10.1002/qj.49712757107" target="_blank">https://doi.org/10.1002/qj.49712757107</a>, 2001.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib35"><label>35</label><mixed-citation>
      
Thomas, S. J., Hacker, J. P., Smolarkiewicz, P. K., and Stull, R. B.: Spectral preconditioners for nonhydrostatic atmospheric models, Mon. Weather Rev., 131, 2464–2478, <a href="https://doi.org/10.1175/1520-0493(2003)131&lt;2464:SPFNAM&gt;2.0.CO;2" target="_blank">https://doi.org/10.1175/1520-0493(2003)131&lt;2464:SPFNAM&gt;2.0.CO;2</a>, 2003.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib36"><label>36</label><mixed-citation>
      
Vivoda, J., Polichtchouk, I., Diamantakis, M., and Váňa, F.: The non-hydrostatic option of the ECMWF global weather forecast model: Improvements for kilometre-scale modelling, Q. J. Roy. Meteor. Soc., 152, <a href="https://doi.org/10.1002/qj.70144" target="_blank">https://doi.org/10.1002/qj.70144</a>, 2026.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib37"><label>37</label><mixed-citation>
      
Wedi, N. P. and Smolarkiewicz, P. K.: A framework for testing global non-hydrostatic models, Q. J. Roy. Meteor. Soc., 135, 469–484, <a href="https://doi.org/10.1002/qj.377" target="_blank">https://doi.org/10.1002/qj.377</a>, 2009.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib38"><label>38</label><mixed-citation>
      
Wedi, N. P., Polichtchouk, I., Dueben, P., Anantharaj, V. G., Bauer, P., Boussetta, S., Browne, P., Deconinck, W., Gaudin, W., Hadade, I., Hatfield, S., Iffrig, O., Lopez, P., Maciel, P., Mueller, A., Saarinen, S., Sandu, I., Quintino, T., and Vitart, F.: A baseline for global weather and climate simulations at 1&thinsp;km resolution, J. Adv. Model. Earth Sy., 12, 17 pp., <a href="https://doi.org/10.1029/2020MS002192" target="_blank">https://doi.org/10.1029/2020MS002192</a>, 2020.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib39"><label>39</label><mixed-citation>
      
Wong, M., Skamarock, W. C., Lauritzen, P. H., Klemp, J. B., and Stull, R. B.: A Compressible Nonhydrostatic Cell-Integrated Semi-Lagrangian Semi-Implicit Solver (CSLAM-NH) with Consistent and Conservative Transport, Mon. Weather Rev., 142, 1669–1687, <a href="https://doi.org/10.1175/MWR-D-13-00210.1" target="_blank">https://doi.org/10.1175/MWR-D-13-00210.1</a>, 2014.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib40"><label>40</label><mixed-citation>
      
Xiao, F. and Peng, X.: A convexity preserving scheme for conservative advection transport, J. Comput. Phys., 198, 389–402, <a href="https://doi.org/10.1016/j.jcp.2004.01.013" target="_blank">https://doi.org/10.1016/j.jcp.2004.01.013</a>, 2004.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib41"><label>41</label><mixed-citation>
      
Yoshimura, H.: Development of a nonhydrostatic global spectral atmospheric model using double Fourier series, CAS/JSC WGNE Research Activities in Atmospheric and Ocean Modelling, 42, 3.05–3.06, <a href="https://wgne.net/bluebook/uploads/2012/individual-articles/03_Yoshimura_Hiromasa_WGNE_Yoshimura_1203.pdf" target="_blank"/> (last access: 7 November 2026), 2012.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib42"><label>42</label><mixed-citation>
      
Yoshimura, H.: Improved double Fourier series on a sphere and its application to a semi-implicit semi-Lagrangian shallow-water model, Geosci. Model Dev., 15, 2561–2597, <a href="https://doi.org/10.5194/gmd-15-2561-2022" target="_blank">https://doi.org/10.5194/gmd-15-2561-2022</a>, 2022.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib43"><label>43</label><mixed-citation>
      
Yoshimura, H.: Nonhydro_XZ v1.1, Zenodo [code], <a href="https://doi.org/10.5281/zenodo.17935264" target="_blank">https://doi.org/10.5281/zenodo.17935264</a>, 2026a.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib44"><label>44</label><mixed-citation>
      
Yoshimura, H.: Yoshimura_Nonhydro_2D_XZ_Testcase, Meteorological Research Institute
Japan Meteorological Agency,  Research Data Server [data set], <a href="https://climate.mri-jma.go.jp/pub/archives/Yoshimura_Nonhydro_2D_XZ_Testcase" target="_blank"/> (last access: 7 November 2026), 2026b.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib45"><label>45</label><mixed-citation>
      
Yoshimura, H. and Matsumura, T.: A Semi-Lagrangian Scheme Conservative in the Vertical Direction, CAS/JSC WGNE Research Activities in Atmospheric and Ocean Modelling, 33, 3.19–3.20, <a href="https://wgne.net/bluebook/uploads/2003/individual-articles/03-yoshimura.pdf" target="_blank"/> (last access: 7 November 2026), 2003.


    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib46"><label>46</label><mixed-citation>
      
Yoshimura, H. and Matsumura, T.: A two-time-level vertically conservative semi-Lagrangian semi-implicit double Fourier series AGCM, CAS/JSC WGNE Research Activities in Atmospheric and Ocean Modelling, 35, 3.25–3.26, <a href="https://wgne.net/bluebook/uploads/2005/individual-articles/03_Yoshimura_Hiromasa_03_yoshimura_hiromasa_2tl-dfs.pdf" target="_blank"/> (last access: 7 November 2026), 2005.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib47"><label>47</label><mixed-citation>
      
Yukimoto, S., Yoshimura, H., Hosaka, M., Sakami, T., Tsujino, H., Hirabara, M., Tanaka, T. Y., Deushi, M., Obata, A., Nakano, H., Adachi, Y., Shindo, E., Yabu, S., Ose, T., and Kitoh, A.: Meteorological Research Institute-Earth System Model Version 1 (MRI-ESM1) – Model Description, Technical Reports of the Meteorological Research Institute, No. 64, <a href="https://doi.org/10.11483/mritechrepo.64" target="_blank">https://doi.org/10.11483/mritechrepo.64</a>, 2011.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib48"><label>48</label><mixed-citation>
      
Yukimoto, S., Kawai, H., Koshiro, T., Oshima, N., Yoshida, K., Urakawa, S., Tsujino, H., Deushi, M., Tanaka, T., Hosaka, M., Yabu, S., Yoshimura, H., Shindo, E., Mizuta, R., Obata, A., Adachi, Y., and Ishii, M.: The Meteorological Research Institute Earth System Model Version 2.0, MRI-ESM2.0: Description and Basic Evaluation of the Physical Component, J. Meteorol. Soc. Jpn., 97, 931–965, <a href="https://doi.org/10.2151/jmsj.2019-051" target="_blank">https://doi.org/10.2151/jmsj.2019-051</a>, 2019.

    </mixed-citation></ref-html>--></article>
