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

    <article-meta>
      <article-id pub-id-type="doi">10.5194/gmd-9-2441-2016</article-id><title-group><article-title>Quantitative evaluation of numerical integration schemes for Lagrangian particle
dispersion models</article-title>
      </title-group><?xmltex \runningtitle{Evaluation of LPDM schemes}?><?xmltex \runningauthor{H. M. Ramli and J. G. Esler}?>
      <contrib-group>
        <contrib contrib-type="author" corresp="no" rid="aff1">
          <name><surname>Ramli</surname><given-names>Huda Mohd.</given-names></name>
          
        </contrib>
        <contrib contrib-type="author" corresp="yes" rid="aff1">
          <name><surname>Esler</surname><given-names>J. Gavin</given-names></name>
          <email>j.g.esler@ucl.ac.uk</email>
        </contrib>
        <aff id="aff1"><institution>Department of Mathematics, University College London, London, UK</institution>
        </aff>
      </contrib-group>
      <author-notes><corresp id="corr1">J. Gavin Esler  (j.g.esler@ucl.ac.uk)</corresp></author-notes><pub-date><day>22</day><month>July</month><year>2016</year></pub-date>
      
      <volume>9</volume>
      <issue>7</issue>
      <fpage>2441</fpage><lpage>2457</lpage>
      <history>
        <date date-type="received"><day>26</day><month>February</month><year>2016</year></date>
           <date date-type="rev-request"><day>15</day><month>March</month><year>2016</year></date>
           <date date-type="rev-recd"><day>27</day><month>June</month><year>2016</year></date>
           <date date-type="accepted"><day>28</day><month>June</month><year>2016</year></date>
      </history>
      <permissions>
<license license-type="open-access">
<license-p>This work is licensed under a Creative Commons Attribution 3.0 Unported License. To view a copy of this license, visit <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/">http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/</ext-link></license-p>
</license>
</permissions><self-uri xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/9/2441/2016/gmd-9-2441-2016.html">This article is available from https://gmd.copernicus.org/articles/9/2441/2016/gmd-9-2441-2016.html</self-uri>
<self-uri xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/9/2441/2016/gmd-9-2441-2016.pdf">The full text article is available as a PDF file from https://gmd.copernicus.org/articles/9/2441/2016/gmd-9-2441-2016.pdf</self-uri>


      <abstract>
    <p>A rigorous methodology for the evaluation of integration schemes for
Lagrangian particle dispersion models (LPDMs) is presented. A series of
one-dimensional test problems are introduced, for which the Fokker–Planck
equation is solved numerically using a finite-difference discretisation in
physical space and a Hermite function expansion in velocity space. Numerical
convergence errors in the Fokker–Planck equation solutions are shown to be
much less than the statistical error associated with a practical-sized
ensemble (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) of LPDM solutions; hence, the former can be used to
validate the latter. The test problems are then used to evaluate commonly
used LPDM integration schemes. The results allow for optimal time-step
selection for each scheme, given a required level of accuracy. The following
recommendations are made for use in operational models. First, if
computational constraints require the use of moderate to long time steps, it
is more accurate to solve the random displacement model approximation to the
LPDM rather than use existing schemes designed for long time steps. Second,
useful gains in numerical accuracy can be obtained, at moderate additional
computational cost, by using the relatively simple “small-noise” scheme of
Honeycutt.</p>
  </abstract>
    </article-meta>
  </front>
<body>
      

<sec id="Ch1.S1" sec-type="intro">
  <title>Introduction</title>
      <p>State-of-the-art Lagrangian particle dispersion models (LPDMs hereafter), for
example FLEXPART <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx26" id="paren.1"/> and NAME <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx12" id="paren.2"/>, are key scientific
tools for the study of the long-range transport and dispersal of the
transport of atmospheric trace gases and aerosols. Applications are diverse,
e.g. establishing the relationship between emissions of pollutants and air
quality downstream <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx4" id="normal.3"/>, aerosol dispersal following volcanic
eruptions <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx7 bib1.bibx6" id="paren.4"/>, modelling of nuclear accident
scenarios <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx28" id="paren.5"/>, and determination of constraints on chemical
emissions via inverse modelling <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx23 bib1.bibx27" id="paren.6"/>. More
fundamentally, LPDMs can be used to address key scientific questions
concerning the nature of transport in the atmosphere <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx16 bib1.bibx3" id="paren.7"/>,
including how transport might be influenced by a changing climate.</p>
      <p>Mathematically speaking, LPDMs are formulated as stochastic differential
equations (SDEs hereafter). (It is notable that it is possible to include
jump processes <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx20" id="paren.8"/> as a representation of non-local convective
parameterisations <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx8" id="paren.9"/>, but we will not be concerned here with this
possibility.) Although the numerical analysis of solution techniques for
SDEs <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx14 bib1.bibx18" id="paren.10"><named-content content-type="pre">e.g.</named-content></xref> is a mature subject in mathematics, LPDMs
have not, generally speaking, exploited developments in the subject, and are
typically formulated using numerical schemes adapted from those used for
ordinary differential equations <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx26" id="paren.11"><named-content content-type="pre">see e.g.</named-content></xref>. Validation of
LPDMs has focussed instead on direct comparison with observational
data <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx25 bib1.bibx22" id="paren.12"/>. Our contention is that observational
comparison, while clearly a necessary aspect of model development, will be
insufficient if any uncertainty exists concerning the accuracy of the
numerical solution of the underlying equations.</p>
      <p>The aim of the present work, therefore, is to introduce a rigorous framework
for the testing and evaluation of numerical schemes for LPDMs. The framework
is based on a standard one-dimensional dispersion model problem
<?xmltex \hack{\mbox\bgroup}?><xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx21 bib1.bibx33" id="paren.13"/> <?xmltex \hack{\egroup}?> modelling the vertical dispersion of air parcels in
the atmospheric boundary layer (ABL hereafter). Vertical profiles of
turbulent statistics representative of both stable and neutral conditions
will be considered, and the LPDM equations will be of the “well-mixed”
class <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx29" id="paren.14"/>, meaning that long time probability distribution of the
solutions (the invariant measure of the SDEs) is given by a pre-specified
“atmospheric” distribution (taken here to be uniform in physical space and
Gaussian in velocity space). Hence the model problem, while idealised,
captures key elements of the physics of dispersion in the stable and neutral
ABL. The convective case, in which the vertical velocity statistics are
non-Gaussian <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx5" id="paren.15"><named-content content-type="pre">see e.g.</named-content></xref>, will require a separate test case
and is not discussed here.</p>
      <p>Our approach to evaluating a given LPDM numerical scheme is to cross-validate
its performance against a numerical solution of the corresponding
Fokker–Planck equation <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx9" id="paren.16"><named-content content-type="pre">FPE hereafter; see e.g.</named-content></xref>. The FPE
describes the time evolution of the probability density function (pdf) of the
stochastic process, and is formulated in position-velocity space, and so in
the context of the current problem of dispersion in one spatial dimension is
a partial differential equation in 2 <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>+</mml:mo></mml:math></inline-formula> 1 dimensions. Note that in three
spatial dimensions in which the FPE is a 6 <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>+</mml:mo></mml:math></inline-formula> 1 dimensional PDE, it will
be computationally impractical in most circumstances to obtain accurate
solutions to the FPE, and consequently LPDMs will be the only practical tool
to solve the problem.</p>
      <p>A solution method based on a Hermite function expansion is introduced in
order to obtain accurate solutions of the FPE with computational efficiency.
Evaluation of the LPDM scheme proceeds by a comparison of pdfs in appropriate
error norm, where the LPDM pdf is generated from an ensemble of solutions,
using the kernel density method <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx24 bib1.bibx31" id="normal.17"><named-content content-type="pre">e.g.</named-content></xref>. The
performances of various schemes are evaluated, as a function of time step
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, including the textbook (basic) Euler–Maruyama scheme, the
second-order and third-order weak Runge–Kutta scheme of Platen <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx14" id="paren.18"><named-content content-type="pre">see
Sect. 15.1 of</named-content></xref>, the “small-noise” second-order Runge–Kutta
method of Honeycutt <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx11" id="paren.19"/>, the “long time-step” scheme used
operationally in FLEXPART <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx26" id="paren.20"/>, and a suggested improvement to this
last scheme.</p>
      <p>The outline of the work is as follows. In Sect. 2, the SDEs describing the
evolution of particle trajectories in the LPDM are introduced, together with
the corresponding FPE. A numerical solution scheme for the FPE is described
and solutions are obtained and benchmarked for a number of test cases. In
Sect. 3, the methodology for using the FPE solution to assess specific
numerical schemes for the LPDM is presented, and in Sect. 4 this methodology
is then applied to specific schemes discussed above. In Sect. 5 the
consequences of our findings are discussed and conclusions are drawn.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S2">
  <title>The model problem</title>
<sec id="Ch1.S2.SS1">
  <title>The model problem formulated as an LPDM</title>
      <p>Consider a horizontally homogeneous turbulent ABL of uniform density, with a
vertical velocity distribution that is Gaussian with zero mean and standard
deviation <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and which has a Lagrangian decorrelation timescale
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The canonical stochastic differential equation model
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx21 bib1.bibx33" id="paren.21"><named-content content-type="pre">e.g.</named-content></xref> for one-dimensional vertical dispersion in the
ABL is

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml: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:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mfenced><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E1"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></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:msup><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            Here <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the vertical velocity and height of a given air
parcel. Both are stochastic variables, with each individual realisation
determined by that of the Brownian (or Wiener) process <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Further
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the values of
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> local to the parcel. In operational LPDMs, such
as FLEXPART, appropriate vertical profiles for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
are specified based on empirical fits to observations of different ABL
conditions, as will be discussed below. The equation set (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E1"/>) is
typically augmented with reflecting boundary conditions at the Earth's
surface and at the ABL top <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx30" id="paren.22"><named-content content-type="pre">see</named-content><named-content content-type="post">for a detailed discussion of the top
boundary condition</named-content></xref>. For definiteness, for our test-case runs, the
initial velocity for Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E1"/>) at <inline-formula><mml:math 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> is sampled from a normal
distribution <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and, for ease of
comparison to the FPE results below, the initial position is sampled from a
distribution <inline-formula><mml:math 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:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> centred on an initial
height <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with standard deviation <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F1" specific-use="star"><caption><p>Vertical profiles of vertical velocity fluctuations
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <bold>(a)</bold> and vertical velocity
Lagrangian decorrelation time <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <bold>(b)</bold>
used in the test-case problems (see Table 1). The dimensions
for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>  and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> are
frictional velocity <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> respectively,
where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>h</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the ABL height.</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=369.885827pt}?><graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/9/2441/2016/gmd-9-2441-2016-f01.pdf"/>

        </fig>

      <p>For the purposes of numerical solution, it is more convenient <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx21" id="paren.23"><named-content content-type="pre">e.g.
Sect. 3.1 of</named-content></xref> to use Ito's lemma to express Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E1"/>) in
terms of the variables <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, leading to

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></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="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></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:msup><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E2"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">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:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            The simpler form (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E2"/>) is exactly equivalent to
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E1"/>). Moreover, the FPE of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E2"/>) has a
considerably simpler form than the corresponding FPE of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E1"/>), a
fact which will prove useful below.</p>

<?xmltex \floatpos{t}?><table-wrap id="Ch1.T1" specific-use="star"><caption><p>The non-dimensional profiles of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
suitable for (i) a constant <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:math></inline-formula> profile, (ii) a stable ABL,
and (iii) a neutral ABL <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx10" id="paren.24"><named-content content-type="pre">e.g.</named-content></xref>.
The non-dimensional parameter <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a
boundary layer Rossby number (the value <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.8</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is taken in
the test case). For the purposes of numerical stability (see text),
in practice the modified profiles <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>  are used, where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is chosen to
avoid singular behaviour at the boundaries (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.05</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>).
</p></caption><oasis:table frame="topbot"><oasis:tgroup cols="5">
     <oasis:colspec colnum="1" colname="col1" align="left"/>
     <oasis:colspec colnum="2" colname="col2" align="left"/>
     <oasis:colspec colnum="3" colname="col3" align="left"/>
     <oasis:colspec colnum="4" colname="col4" align="left"/>
     <oasis:colspec colnum="5" colname="col5" align="left"/>
     <oasis:thead>
       <oasis:row rowsep="1">  
         <oasis:entry colname="col1"/>  
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col4">Modified <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col5">Modified <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
       </oasis:row>
     </oasis:thead>
     <oasis:tbody>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1">Constant <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mn>0.5</mml:mn><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3">Constant</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col4">–</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col5">–</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1">Stable</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mn>1.3</mml:mn><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn>0.1</mml:mn><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col5"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1">Neutral</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mn>1.3</mml:mn><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>15</mml:mn><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col5"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
       </oasis:row>
     </oasis:tbody>
   </oasis:tgroup></oasis:table></table-wrap>

      <p>It is simplest to view Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E2"/>) as a non-dimensional equation,
given that in particular <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is already a non-dimensional variable.
The natural non-dimensionalisation has length, velocity, and timescales of
ABL height <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>h</mml:mi></mml:math></inline-formula>, surface friction velocity <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> respectively.
Under this non-dimensionalisation, the spatial domain for
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E2"/>) is <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>≤</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p>To specify our test-case problems it is necessary to choose suitable
(non-dimensional) profiles for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Here we choose to
focus on three such profiles, two of which are widely used
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx10 bib1.bibx26" id="paren.25"/> empirical fits to observed statistics in stable and
neutral conditions respectively. The third has <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> constant and a
linear profile for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and is used to demonstrate a new LPDM
scheme introduced below. The details of the profiles used are given in
Table 1 and are plotted in Fig. 1. In practice, the exact profiles suggested
by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx10" id="text.26"/> are modified slightly, as detailed in Table 1, to avoid
singular behaviour at the ABL top and bottom. This is necessary because in
Hanna's original profiles either <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> or <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>z</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:mrow></mml:math></inline-formula>, with neither type of behaviour being physical.</p>
      <p>In Sect. 4 large ensembles of numerical solutions of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E2"/>)
will be calculated using different numerical integration schemes. The
accuracy of each numerical scheme, as a function of time step <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
will be assessed by comparison with the corresponding solution of the FPE, to
be detailed next.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S2.SS2">
  <title>The model problem formulated as an FPE</title>
      <p>Following the standard procedure in stochastic calculus <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx9" id="paren.27"><named-content content-type="pre">e.g.
Sect. 3.4.1 of</named-content></xref>, the FPE which describes the time evolution of the
probability density <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E2"/>) can be obtained as
            <disp-formula id="Ch1.E3" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mi>p</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></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="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi>p</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ω</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>
          Explicitly, here <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The initial conditions consistent with
those given in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E2"/>) are (for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> not
near the boundaries)
            <disp-formula id="Ch1.E4" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml: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="italic">π</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><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:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p>The FPE Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E3"/>) also requires boundary conditions at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>z</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:mrow></mml:math></inline-formula> which
are consistent with the reflecting boundary conditions for the LPDM. The
boundary conditions consistent with reflection are
            <disp-formula id="Ch1.E5" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          which in probabilistic terms is equivalent to the reflection condition
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>→</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> being applied at the boundaries.
<?xmltex \hack{\mbox\bgroup}?><xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx35" id="text.28"/><?xmltex \hack{\egroup}?>
found that this perfect reflection algorithm is exactly consistent with the
“well-mixed constraint” in homogeneous Gaussian turbulence <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx21" id="paren.29"><named-content content-type="pre">see also
the appendix of Sect. 11 of</named-content></xref>.</p>
      <p>Equations (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E3"/>)–(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E5"/>) constitute a well-defined
initial-value problem which is suitable for numerical solution. An important
quantity obtained from the solution <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the physical
concentration of parcels given by
            <disp-formula id="Ch1.E6" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          (In general, tracer concentrations and the marginal probability given in
Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E6"/> can differ by a normalisation constant.) The concentration
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> will be our main benchmark quantity in Sect. 4 below.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="Ch1.S3">
  <title>Numerical solution of the FPE</title>
<sec id="Ch1.S3.SS1">
  <title>The Hermite expansion for the FPE</title>
      <p>The non-dimensionalised FPE Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E3"/>) is a hypo-elliptic
differential equation defined on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi><mml:mo>×</mml:mo><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:mrow></mml:math></inline-formula>. Our approach to
its numerical solution is to seek a solution based on the following Hermite
polynomial expansion:
            <disp-formula id="Ch1.E7" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></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">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">He</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          In statistics, this expansion is also known as the Gram-Charlier series of
Type A <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx2" id="paren.30"><named-content content-type="pre">see p. 23 of</named-content></xref>. Here the functions <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denote
the projection, at the vertical level and time <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
onto the (probabilists') Hermite function <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mtext>He</mml:mtext><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:math></inline-formula> where  <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mtext>He</mml:mtext><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the
Hermite polynomial defined by
            <disp-formula id="Ch1.E8" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mtext>He</mml:mtext><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mfenced><mml:mi>k</mml:mi></mml:msup><mml:msup><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mi>k</mml:mi></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          Notice that it follows that the particle concentration Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E6"/>)
satisfies <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p>Before inserting the expansion Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E7"/>) into the FPE
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E3"/>) it is helpful to rewrite the FPE in the form

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml: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:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></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">ω</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>p</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E9"><mml:mtd/><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:mfenced close=")" open="("><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mi>p</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            In this form the Hermite function identity Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.E2"/>) can be used to
evaluate the first term on the right-hand side. Further, the second and third
terms on the right-hand side can be simplified using the derivative and
recursion formulae for Hermite
polynomials (Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.E5"/>, <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.E6"/>). After some working the
result is (using the convention <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>)

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mtext>He</mml:mtext><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mfenced open="(" close=""><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><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:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>C</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:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E10"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="."><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</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:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            Using the orthogonality property of Hermite functions (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.E3"/>) it follows that

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><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:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>C</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:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</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:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E11"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mtext>for</mml:mtext><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn>1.</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            The system (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E11"/>) constitutes an infinite system of coupled
1 <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>+</mml:mo></mml:math></inline-formula> 1 dimensional first-order partial differential equations for the
coefficients <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. For a numerical solution this series can be truncated as
we describe below.</p>
      <p>The initial conditions for Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E11"/>) are easily obtained from
(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E4"/>) using the orthogonality property,

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml: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:msqrt><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><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:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E12"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtext>for</mml:mtext><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            The boundary conditions can be obtained using the symmetry
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mtext>He</mml:mtext><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mfenced><mml:mi>k</mml:mi></mml:msup><mml:msub><mml:mtext>He</mml:mtext><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
Substituting the expansion (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E7"/>) into
the  boundary condition (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E5"/>), it follows that
            <disp-formula id="Ch1.E13" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>odd</mml:mtext></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mtext>He</mml:mtext><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mtext>at</mml:mtext><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi>z</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:mrow></mml:math></disp-formula>
          and consequently
            <disp-formula id="Ch1.E14" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mtext>for</mml:mtext><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi>k</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mtext>odd</mml:mtext><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          It may seem surprising that the even equations have no boundary condition and
the odd equations take two boundary conditions. However, as the
system (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E11"/>) consists of <italic>first-order</italic> PDEs it is clear
that the total number of boundary conditions will be correct, provided that
the series is truncated at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> odd.</p>
      <p>It is worth noting that the series (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E11"/>) can also be truncated at
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by using an (approximate) quasi-stationary balance in the <inline-formula><mml:math 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>
equation of the form
            <disp-formula id="Ch1.E15" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          which results in the diffusion equation
            <disp-formula id="Ch1.E16" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.</mml:mn></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          It is well known <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx29" id="paren.31"><named-content content-type="pre">e.g. Sect. 3.5 of</named-content></xref> that the LPDM
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E1"/>) can be approximated by a random walk (“random
displacement” or RDM) model
            <disp-formula id="Ch1.E17" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:mfenced><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></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:msup><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E16"/>) is simply the Fokker–Planck equation of the RDM
model (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E17"/>), with the diffusivity <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi></mml:math></inline-formula> of the RDM being
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Note that the RDM model can be derived formally
from the LPDM in the distinguished limit of a short decorrelation time,
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> finite
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx21" id="paren.32"><named-content content-type="pre">see e.g. Sect. 6.3 of</named-content></xref>. It is much easier to obtain accurate
solutions of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E17"/>), compared to Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E1"/>) at relatively
large time steps; hence, an interesting question concerns when exactly it is
preferable to solve Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E17"/>) rather than Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E1"/>). This
question is best answered by quantifying the difference between the solution
of Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E16"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E11"/>) and using this difference as a
benchmark for assessing the errors in LPDM calculations, as will be done in
Sect. 4 below.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S3.SS2">
  <title>The numerical method and benchmark solutions for the FPE</title>
      <p>Based on the analysis above, Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E3"/>) can be solved numerically by
integrating the system (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E11"/>) with boundary conditions
(Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E14"/>), truncated at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> odd. Our approach is to use a
standard finite-difference discretisation with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> grid points, equally
spaced with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, on a staggered cell-centred grid (i.e. <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>i</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:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) in order to apply the
boundary conditions at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>z</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:mrow></mml:math></inline-formula> systematically. The details of the
implementation of the boundary conditions are described in Appendix B.</p>
      <p>The set (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E11"/>) is stiff and a naive solution method would have the
time step <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> bounded above by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">≲</mml:mi><mml:msub><mml:mtext>Min</mml:mtext><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, i.e. the timescale of exponential decay of the highest Hermite
function mode. However, considerably longer time steps can be used if an
exponential time-stepping scheme is chosen. Our choice is the Exponential
Time-Differencing fourth-order Runge–Kutta (ETDRK4) scheme of
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx13" id="text.33"/>, with the “linear” operator in that scheme taken to be the
first term on the right-hand side of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E11"/>) only, because it
is this first term that is responsible for the stiffness of
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E11"/>).</p>
      <p>To obtain our benchmark solutions of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E11"/>) and therefore
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E3"/>), tests of the convergence of the solutions as both <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are decreased and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>K</mml:mi></mml:math></inline-formula> is increased have been performed. For
all three case studies, it was found to be adequate to take <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>19</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to obtain
fully converged solutions, because the Hermite series was found to converge
rapidly, i.e. <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn>19</mml:mn></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">≲</mml:mi><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>16</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> everywhere in the domain.
Comparison of a sequence of solutions with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">8</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mn>12</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> revealed quadratic convergence with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as
expected for our scheme. Figure 2 shows the relative error
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">E</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, with reference to the next-highest resolution solution,
in the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mtext>L</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> norm for the mean concentration <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at fixed
times, for the two test cases. That is,
            <disp-formula id="Ch1.E18" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">E</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><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:mfenced open="(" close=")"><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi>j</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mi>z</mml:mi></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:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi>j</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes the solution with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Quadratic
convergence is evident from the slope of the graphs in Fig. 2. For
example, typical numerical
errors at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mn>12</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (highest resolution) are <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">E</mml:mi><mml:mn>12</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>9.7</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (stable boundary layer at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>)
and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mn>1.3</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>  (neutral boundary layer at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) respectively.
The numerical accuracy above is sufficient for benchmarking
our LPDM solutions, because the statistical error associated with
reasonable-sized ensembles (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) of the LPDM is of
order <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">E</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msup><mml:mn>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>, as will be discussed below.</p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F2"><caption><p>Relative error <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">E</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>  (see Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E18"/>) of the
FPE solutions as a function of grid resolution <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">8</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the two test-case
problems. Stars: stable ABL (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">E</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). Squares: neutral ABL
(<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">E</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>).</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=236.157874pt}?><graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/9/2441/2016/gmd-9-2441-2016-f02.pdf"/>

        </fig>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F3" specific-use="star"><caption><p>Snapshots of particle concentration <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from the
numerical FPE solutions for the three test-case
problems. <bold>(a)</bold> Constant <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</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>1.5</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>).
<bold>(b)</bold> Stable ABL (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</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:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). <bold>(c)</bold> Neutral ABL
(<inline-formula><mml:math 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>, 3, 6, 12 <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). For clarity, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is plotted (instead of
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>)
for the initial condition at <inline-formula><mml:math 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> in both panels.</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=441.017717pt}?><graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/9/2441/2016/gmd-9-2441-2016-f03.pdf"/>

        </fig>

      <p>Figure 3 shows snapshots of the particle concentration <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for each of
the three FPE benchmark solutions described above. The left panel shows the
constant <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:math></inline-formula> case, the middle panel shows the stable ABL case, and the
right panel the neutral ABL. In all three cases particles are initialised
close to <inline-formula><mml:math display="inline"><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: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> and disperse to become well mixed throughout the ABL at
late times. The neutral and stable cases differ in that mixing is rather more
rapid (in terms of the dimensional timescale <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) for the stable case
compared to the neutral case. Also, in the neutral case, mixing is relatively
slow towards the top of the ABL where the amplitude of turbulent fluctuations
decays exponentially.</p><?xmltex \hack{\newpage}?>
</sec>
</sec>
<sec id="Ch1.S4">
  <title>Evaluation of numerical schemes for LPDMs</title>
      <p>In this section, a range of textbook, commonly used and new numerical schemes
for LPDMs will first be introduced and then evaluated using the FPE solutions
described above as a benchmark. The task is somewhat simplified because the
equation set (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E2"/>) is time-independent (autonomous). Note that it
may be necessary to modify some of the schemes described below if an ABL with
time-dependent statistics is to be modelled with the same formal accuracy.
Note that, in the terminology of SDE numerical schemes <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx14" id="paren.34"/>, we are
able to use “weak” schemes (convergent in probability) in addition to
“strong” schemes (convergent in path), because we are primarily interested
in the concentration of particles, which can be obtained from the pdf
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The rate of convergence of a scheme, as measured by
quantities which depend on the pdf such as the concentration <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, with
respect to the time step <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is known as its “weak” order <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx14" id="paren.35"><named-content content-type="pre">see
e.g. Chap. 9 of</named-content></xref>. The weak order is the relevant measure of
comparison between schemes for our study, and should not be confused with the
“strong” order of a scheme, which refers to the rate of convergence of
solution paths with respect to specific stochastic realisations.</p>

<?xmltex \floatpos{t}?><table-wrap id="Ch1.T2" specific-use="star"><caption><p>The LPDM numerical schemes investigated in Sect. 4. Here <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
is the time step, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">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:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
The drift function is denoted by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. </p></caption><oasis:table frame="topbot"><oasis:tgroup cols="3">
     <oasis:colspec colnum="1" colname="col1" align="left"/>
     <oasis:colspec colnum="2" colname="col2" align="left"/>
     <oasis:colspec colnum="3" colname="col3" align="left"/>
     <oasis:thead>
       <oasis:row rowsep="1">  
         <oasis:entry colname="col1">Scheme</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">Algorithm</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3">Reference and notes</oasis:entry>
       </oasis:row>
     </oasis:thead>
     <oasis:tbody>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1">E-M</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3">
                  <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx17" id="text.36"/>
                </oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row rowsep="1">  
         <oasis:entry colname="col1"/>  
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3"/>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1">EXPLICIT 2.0</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:msub></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mfenced><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3">Sect. 15.1 of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx14" id="text.37"/></oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"/>  
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:msub></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3"/>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"/>  
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3"/>
       </oasis:row>
       <oasis:row rowsep="1">  
         <oasis:entry colname="col1"/>  
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3"/>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"/>  
         <oasis:entry colname="col2"/>  
         <oasis:entry colname="col3"/>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1">HON-SRKII</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:msub></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3">
                  <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx11" id="text.38"/>
                </oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"/>  
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:msub></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3"/>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"/>  
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3"/>
       </oasis:row>
       <oasis:row rowsep="1">  
         <oasis:entry colname="col1"/>  
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3"/>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1">LEGGRAUP</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></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:msup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3">
                  <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx15" id="text.39"/>
                </oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"/>  
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3"/>
       </oasis:row>
       <oasis:row rowsep="1">  
         <oasis:entry colname="col1"/>  
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3"/>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1">LONGSTEP</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></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:msup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3">See Appendix C.</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"/>  
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3"/>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"/>  
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3"/>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"/>  
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3"/>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"/>  
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></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:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3"/>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"/>  
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></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:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3"/>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"/>  
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfenced></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:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3"/>
       </oasis:row>
     </oasis:tbody>
   </oasis:tgroup></oasis:table></table-wrap>

<?xmltex \floatpos{t}?><table-wrap id="Ch1.T3" specific-use="star"><caption><p>EXPLICIT 3.0 scheme tested in Sect. 4, with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The drift function is denoted by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> or <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Here
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the time step and we use two correlated Gaussian random
variables <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. </p></caption><oasis:table frame="topbot"><?xmltex \begin{scaleboxenv}{.95}[.95]?><oasis:tgroup cols="3">
     <oasis:colspec colnum="1" colname="col1" align="left"/>
     <oasis:colspec colnum="2" colname="col2" align="left"/>
     <oasis:colspec colnum="3" colname="col3" align="left"/>
     <oasis:thead>
       <oasis:row rowsep="1">  
         <oasis:entry colname="col1">Scheme</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">Algorithm</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3">Reference and notes</oasis:entry>
       </oasis:row>
     </oasis:thead>
     <oasis:tbody>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1">EXPLICIT 3.0</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3">Sect. 15.2 of</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"/>  
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mfenced></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3"><xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx14" id="text.40"/></oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"/>  
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:msqrt><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msqrt></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mfenced></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3"/>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"/>  
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mfenced><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3"/>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"/>  
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3"/>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"/>  
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mfenced></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3"/>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"/>  
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:msqrt><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msqrt></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mfenced></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3"/>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"/>  
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mfenced></mml:mfenced><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3"/>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"/>  
         <oasis:entry colname="col2"/>  
         <oasis:entry colname="col3"/>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"/>  
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>±</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>±</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3"/>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"/>  
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3"/>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"/>  
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>±</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>±</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></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:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3"/>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"/>  
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3"/>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"/>  
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3"/>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"/>  
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi></mml:msub></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3"/>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"/>  
         <oasis:entry colname="col2"> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mtext>where</mml:mtext><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mtext>and</mml:mtext><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>±</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>±</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3"/>
       </oasis:row>
     </oasis:tbody>
   </oasis:tgroup><?xmltex \end{scaleboxenv}?></oasis:table></table-wrap>

      <p>It is important to note, however, that it is by no means obvious that a given
scheme will attain its formal weak order when solving Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E2"/>).
This is because the assumptions under which the weak order of each scheme is
derived are not met in the case of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E2"/>) because of the
reflection boundary conditions. It is therefore necessary to solve
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E2"/>) explicitly to assess each scheme.</p>
<sec id="Ch1.S4.SS1">
  <title>LPDM numerical schemes</title>
      <p>Tables 2–3 summarise the SDE numerical schemes to be investigated. The
first, most obvious scheme to test is the Euler–Maruyama (E-M) scheme
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx17" id="paren.41"/>, i.e. the simplest and lowest order time-stepping scheme
for SDEs. Next, as with ordinary differential equations (ODEs), it is
possible to construct schemes with higher orders of formal accuracy in the
spirit of Runge–Kutta schemes for ODEs. Here we test the performance of
Platen's “explicit order 2.0 weak scheme” (EXPLICIT 2.0) and “explicit
order 3.0 weak scheme” (EXPLICIT 3.0) <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx14" id="paren.42"><named-content content-type="pre">see Chap. 15 of</named-content></xref>. In
common with schemes for ODEs, higher order schemes are somewhat more
complicated to implement, and are more computationally expensive per time
step <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The advantage, however, is that the schemes have weak order
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (EXPLICIT 2.0) and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (EXPLICIT 3.0) compared to
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for E-M.</p>
      <p>A single candidate from a second class of schemes, the so-called
“small-noise” schemes, to be investigated is the HON-SRKII scheme of
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx11" id="text.43"/>. Small-noise schemes typically have the same weak order
(<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) as E-M <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx18" id="paren.44"><named-content content-type="pre">see e.g. the discussion in Chap. 3 of</named-content></xref>,
but the schemes are designed so that the leading-order error depends on the
“noise amplitude” in the equation, which in many practical situations is
sufficiently small that higher-order convergence is observed in practice (at
least for intermediate length time steps; see discussion below). The
HON-SRKII scheme will be shown below to converge with global error <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in this intermediate time-step regime.</p>
      <p>A third class of schemes to be investigated is designed to work well with
long time steps. Such schemes are of interest operationally, because the
practical advantages of calculating large ensembles efficiently are thought
to outweigh the disadvantage of loss of accuracy due to time-stepping errors.
The FLEXPART model <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx26" id="paren.45"/>, for example, switches between using E-M
and a long time-stepping scheme due to <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx15" id="text.46"><named-content content-type="post">LEGGRAUP</named-content></xref>. It is of
some interest to verify that long time-stepping schemes such as LEGGRAUP do
indeed outperform E-M at operationally relevant values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In
fact, in Appendix C we review the derivation of the LEGGRAUP scheme, and show
that additional care is needed to couple the velocity and position equations.
A corrected scheme (LONGSTEP) is derived in Appendix C and is then compared
with the schemes listed above in Sect. 4.2.</p>
      <p>The method used to compare the results from a particular scheme, at fixed
time step <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, to the particle concentration <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> obtained from
the numerical solution of the FPE, is as follows. First, a large ensemble
(typically <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) of trajectories is calculated using the scheme under
investigation. Next, the density of particles <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is reconstructed
from the resulting ensemble <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> using kernel
density estimation
            <disp-formula id="Ch1.E19" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mtext>b</mml:mtext></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:mi>N</mml:mi><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mtext>b</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>K</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mtext>b</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mtext>“image terms”</mml:mtext><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          Here <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mtext>b</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a (small) smoothing parameter known as the bandwidth, and
“image terms” refer to contributions from the images of trajectories,
introduced to satisfy the boundary conditions. The function <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the
kernel function, and is non-negative with zero mean and has unit integral.
Here we use a Gaussian kernel. Details, including how the optimal bandwidth
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mtext>b</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is chosen in practice, are given in Appendix D.</p>
      <p>The error associated with a given scheme, at time step <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, is
measured by the L<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi/><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> norm
            <disp-formula id="Ch1.E20" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><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:mo mathsize="1.1em">(</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mo mathsize="1.1em">)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mi>z</mml:mi></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:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          In practice the error (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E20"/>) is effectively bounded below by
the so-called <italic>statistical error</italic>, which is defined as the expected
value of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the event that the ensemble <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> were sampled from the exact distribution
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> itself. It is important to emphasise that it is not possible, using
our method, to investigate schemes with errors below the statistical error.
The statistical error can of course be reduced by using a larger ensemble
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula>, but convergence is slow as the dependency is <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, as discussed in
Appendix D where details are given.</p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F4" specific-use="star"><caption><p>L<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi/><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> error (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E20"/>) as a function of non-dimensional
time step <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the constant <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> test case with
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ensemble integrated at time <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The LONGSTEP scheme (purple
diamonds) gives the best results in this case. Blue lines of slopes <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:math></inline-formula> are plotted for reference.</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=341.433071pt}?><graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/9/2441/2016/gmd-9-2441-2016-f04.pdf"/>

        </fig>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F5" specific-use="star"><caption><p>L<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi/><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> error (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E20"/>) as a function of non-dimensional
time step <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the stable ABL test case integrated at
intermediate time <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <bold>(a)</bold> and at late time
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <bold>(b)</bold>. From left to right, blue lines of slopes <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:math></inline-formula> are plotted for reference.</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=341.433071pt}?><graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/9/2441/2016/gmd-9-2441-2016-f05.pdf"/>

        </fig>

      <p>In the results below, in the interests of reproducibility, the error is
presented as a function of the fixed time step <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for each scheme.
However, the schemes have different computational costs per time step, which
will depend on both the method of implementation of each algorithm and on the
machine used for the simulations. To give a rough idea of representative
computational costs, in Table 4 the relative cost measured with reference to
the E-M scheme is shown for our calculations. Following best practice in
large operational calculations <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx26" id="paren.47"><named-content content-type="pre">see e.g.</named-content></xref>, the random numbers
used to simulate the Wiener processes are pre-calculated so the costs of
their generation are not included in the comparison. Another possible
computational saving comes from the use of variable time steps. To test
whether or not a significant computational saving is easily attainable, we
have made some calculations in which <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>∝</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (the local
Lagrangian decorrelation time). For each scheme tested, the use of variable
time steps was found to lead to a computational saving of a factor of around
2 to 3 compared to fixed time steps, with the schemes otherwise performing as
detailed below. More details on variable time-stepping schemes will be given
elsewhere.</p>

<?xmltex \floatpos{t}?><table-wrap id="Ch1.T4"><caption><p>Computational clock times, measured relative to the E-M scheme, for
all of the schemes detailed in Tables 2 and 3. The calculations are for
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> trajectories, with time step <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and
integration time <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The computational times are obtained by taking the
average of times elapsed in seconds from several simulations, coded in
MATLAB, on a MacBook Pro with no other programs running.</p></caption><oasis:table frame="topbot"><oasis:tgroup cols="2">
     <oasis:colspec colnum="1" colname="col1" align="left"/>
     <oasis:colspec colnum="2" colname="col2" align="left"/>
     <oasis:thead>
       <oasis:row rowsep="1">  
         <oasis:entry colname="col1">Scheme</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">Relative computational time</oasis:entry>
       </oasis:row>
     </oasis:thead>
     <oasis:tbody>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1">E-M</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1.0</mml:mn></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1">EXPLICIT <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2.0</mml:mn></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2.0</mml:mn></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1">EXPLICIT <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3.0</mml:mn></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>5.8</mml:mn></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1">HON-SRKII</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1.9</mml:mn></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1">LEGGRAUP</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1.2</mml:mn></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1">LONGSTEP</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1.5</mml:mn></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
       </oasis:row>
     </oasis:tbody>
   </oasis:tgroup></oasis:table></table-wrap>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F6" specific-use="star"><caption><p>L<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi/><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> error (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E20"/>) as a function of non-dimensional
time step <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the neutral ABL test case integrated at
intermediate time <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <bold>(a)</bold> and at late time
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>12</mml:mn><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <bold>(b)</bold>. From left to right, blue lines of slopes 1 and 2
are plotted for reference.</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=341.433071pt}?><graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/9/2441/2016/gmd-9-2441-2016-f06.pdf"/>

        </fig>

</sec>
<sec id="Ch1.S4.SS2">
  <title>Results</title>
      <p>The main results, showing the performance of the six schemes described in
Tables 2–3 over a wide range of time steps <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, are shown in
Figs. 4–6. Figures 4–6 detail the results for the constant <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:math></inline-formula> test
case, the stable ABL test case and the neutral ABL test case respectively
(see Table 1). In each figure, the L<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi/><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> error (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E20"/>) is
plotted as a function of non-dimensional time step <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
Logarithmic scales are used so that lines of constant slope correspond to the
observed order of the schemes. Blue lines with slopes <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:math></inline-formula> are
plotted for reference. The statistical error, which is the lowest possible
error that can be measured for a given scheme, is plotted as a solid black
line in each panel.</p>
      <p>Also plotted in Figs. 4–6, as a dotted black line, is the L<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi/><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula>-norm
difference <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> between the concentration field <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> obtained
from the solution of the FPE Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E3"/>) and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> obtained from
the diffusion Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E16"/>). The dotted black line marks an important
boundary on each panel. If the time step <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is such that the error of
a given scheme lies above this line, then it is preferable to solve the RDM
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E17"/>) in place of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E2"/>), because (at fixed
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) the numerical error for the former is more easily controlled.</p>
      <p>Figure 4 shows results for the constant <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:math></inline-formula> test case at time <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
(see Fig. 3 and Table 1 for details). The lowest order schemes, LEGGRAUP
(blue circles) and E-M (black squares), are seen to realise their formal weak
order <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. EXPLICIT 2.0 (red hexagons) and HON-SRKII (green solid
triangles) have weak order <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, whereas EXPLICIT 3.0 (blue
triangles) has weak order <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, as expected. The best performing
scheme for this particular case is the new scheme LONGSTEP (purple diamonds)
derived in Appendix C. The rationale for LONGSTEP is that there is a
conceptual error in the derivation of LEGGRAUP, which results in its
performance at large <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> being no better than E-M. When this error is
corrected in LONGSTEP, the performance is better than even EXPLICIT 3.0.
LONGSTEP in effect uses exact solutions of the LPDM equations for constant
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and linear <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, meaning that if the same calculations had been
performed in an infinite domain, the numerical error would be zero. In the
constant <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:math></inline-formula> test case, errors in LONGSTEP arise only from the reflection
boundary conditions at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>z</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:mrow></mml:math></inline-formula>. However, LONGSTEP does not fare well in the
remaining two test cases to be described next.</p>
      <p>Figure 5 shows results for the stable ABL test case at intermediate time
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (upper panel) and at late time <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (lower panel), when
the concentration is almost well mixed across the ABL (see Fig. 3). The
results are similar to those of the constant <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:math></inline-formula> case, except LONGSTEP
(purple diamonds) now performs as poorly as E-M. Both E-M and LONGSTEP
outperform LEGGRAUP. It was not found to be possible to obtain solutions for
EXPLICIT 3.0 using time steps longer than <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.02</mml:mn><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> because of
problems with the reflective boundary conditions.</p>
      <p>Figure 6 shows the results for the neutral ABL case at intermediate time <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (upper panel) and at late time <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>12</mml:mn><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (lower panel). In
this case the performance of LONGSTEP and LEGGRAUP are comparable, but with
the E-M scheme performing better than both, except at very long time steps
where LEGGRAUP has slightly better accuracy at long time steps. As for the
previous test cases, the EXPLICIT 3.0 (blue triangles) scheme gives the
lowest errors (weak order <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), and EXPLICIT 2.0 (red hexagons)
along with HON-SRKII (green solid triangles) perform consistently well with
weak order <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F7" specific-use="star"><caption><p>Snapshots of reconstructed particle density <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for
the stable ABL case at time <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, shown at each scheme.
<bold>(a)</bold> When long time step <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.05</mml:mn><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is used and errors
due to boundary conditions dominate. <bold>(b)</bold> When moderate time step
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.007</mml:mn><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is used.</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=341.433071pt}?><graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/9/2441/2016/gmd-9-2441-2016-f07.pdf"/>

        </fig>

      <p>To give an impression of where the particle concentration errors are
accumulating, Fig. 7 shows snapshots of particle density <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
for the stable ABL case, at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Results are shown for each scheme when
a long time step <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.05</mml:mn><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is used (left panel) and a
moderate time step <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.007</mml:mn><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (right panel). The errors in
the long time-step case are large and are largely due to issues with the
reflection of trajectories at the surface (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). Numerical accuracy
requires that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which is evidently violated close to the
boundary where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is small (see Fig. 1). Errors due to reflection are
particularly acute for the higher order schemes (such as EXPLICIT 2.0 and
HON-SRKII) that require the treatment of an intermediate step(s). See the
discussion in Appendix B for how this step is implemented. The stable
boundary layer case, where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:math></inline-formula> decays most rapidly near the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
boundary, is the case which appears to be the most sensitive to the treatment
of reflection there.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="Ch1.S5" sec-type="conclusions">
  <title>Conclusions</title>
      <p>The main contribution of this paper is to introduce a protocol for the
quantitative assessment of SDE numerical schemes, applied to the problem of
dispersion in an idealised atmospheric boundary layer, as modelled by LPDMs.
Accurate solutions of the Fokker–Planck equation (FPE, Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E3"/>) are
used to benchmark the distribution obtained from an ensemble of LPDM
solutions obtained using a particular scheme with a fixed time step <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. By using the FPE solution, our protocol avoids the possibility of the
LPDMs exhibiting spurious convergence to an incorrect distribution as <inline-formula><mml:math 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</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (e.g. by a poor treatment of reflection boundary conditions), and
the FPE provides independent verification of the correctness of a specific
implementation.</p>
      <p>The convergence results obtained in our model test problems are valuable because, due
to the importance of reflection of particles from the surface and top
of the boundary layer,  it is not possible to rely on the formal convergence rates of
different SDE schemes <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx14" id="paren.48"><named-content content-type="pre">as given by e.g.</named-content></xref>. All of the
schemes tested attain their formal convergence rates at early times in
the model test problem, i.e. before reflection becomes important, and
thereafter are limited to an extent by the details of how reflection
is implemented (see Appendix B for discussion).</p>
      <p>Our results allow the following recommendations to be made, for consideration
by operational modellers.
<list list-type="bullet"><list-item>
      <p>For our test problems, the best results with respect to accuracy as a
function of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> were obtained with the EXPLICIT 3.0 weak order <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> scheme. However, this scheme is time-consuming to implement and more
expensive per step compared to the weak order <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> schemes
investigated, so the gains associated with it are marginal. A good compromise
between ease-of-implementation, flexibility and accuracy is the
“small-noise” scheme of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx11" id="text.49"><named-content content-type="post">here HON-SRKII</named-content></xref>. Formally, the
weak order of HON-SRKII is just <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, i.e. the same as Euler–Maruyama.
However, the scheme designed so that at fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, in the limit of
small noise, the weak error scales with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx18" id="paren.50"><named-content content-type="pre">e.g. Chap. 3
of</named-content></xref>. Although the boundary layer dispersion problems examined here
are not formally “small-noise” problems, our results show clearly that they
behave as such in a practical implementation. As a consequence HON-SRKII
scheme performs at least as well as the formally weak order <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
scheme EXPLICIT 2.0 (which in fact has a very similar implementation for the
specific LPDM problem we have examined here).</p></list-item><list-item>
      <p>The “long-step” scheme due to <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx15" id="text.51"><named-content content-type="post">here LEGGRAUP</named-content></xref>, which is
used operationally for global integrations of trajectories in FLEXPART (for
example), should be avoided. LEGGRAUP does not significantly outperform
Euler–Maruyama at any time step for any of the three profiles we have
studied. The reason for this is a conceptual error in its derivation, which
we have corrected here in the development of a new scheme – LONGSTEP – see
Appendix C. LONGSTEP performs very well in the case of
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> constant, but no better than LEGGRAUP for other <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
profiles; hence, we do not recommend it for operational use either.</p></list-item><list-item>
      <p>Global calculations often require the use of long time steps for reasons of
computational efficiency. For such calculations, we recommend switching to
the random displacement model (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E17"/>) rather than solving the LPDM
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E2"/>). The reason for this recommendation is apparent in
Figs. 4–6, where the numerical error for all of the schemes investigated is
seen to exceed the difference between RDM and LPDM solutions when the time
step <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">≳</mml:mi><mml:mn>0.02</mml:mn><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Given that the unit of time in our
non-dimensionalisation is <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>100</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1000</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m is boundary layer
height and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m s<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> is surface friction velocity, for a
typical <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mn>1000</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> s errors will be minimised by using the RDM whenever
a time step <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">≳</mml:mi><mml:mn>20</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> s is required.</p></list-item></list>
Naturally, the recommendations above are based only on the limited set of
schemes which we have studied. It is to be hoped that the protocol and test
cases introduced here will be helpful to other researchers developing and
testing novel methods for LPDMs. A key challenge in such development will be
the careful treatment of reflection boundary conditions, including their
generalisation to more complex physical situations
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx32 bib1.bibx30 bib1.bibx34" id="paren.52"><named-content content-type="pre">e.g.</named-content></xref>.</p><?xmltex \hack{\newpage}?>
</sec>
<sec id="Ch1.S6">
  <title>Code availability</title>
      <p>The MATLAB source code of the FPE solver can be found online via GitHub and
by searching for the repository “MRE FPE solver”
(<uri>https://github.com/nhramli/MRE-FPEsolver.git</uri>).</p><?xmltex \hack{\clearpage}?>
</sec>

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

<app id="App1.Ch1.S1">
  <title>Useful properties of (probabilists') Hermite polynomials and functions</title>
      <p>In this appendix we detail some useful properties of the probabilists'
Hermite polynomials <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mtext>He</mml:mtext><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, defined by Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E8"/>),
and the associated Hermite functions <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mtext>He</mml:mtext><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. We concentrate on those identities
necessary to derive Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E11"/>); all can be obtained easily from
results found in the book of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx1" id="text.53"><named-content content-type="post">see Chap. 22</named-content></xref>.</p>
      <p>First, the Hermite polynomials are solutions of Hermite's equation
          <disp-formula id="App1.Ch1.E1" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:msub><mml:mtext>He</mml:mtext><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:msub><mml:mtext>He</mml:mtext><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        from which it follows that the Hermite functions satisfy

              <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mfenced><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mtext>He</mml:mtext><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E2"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">He</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          Second, because Hermite's equation can be written as an eigenvalue problem
with a self-adjoint linear operator, the Hermite polynomials can be shown to
satisfy an orthogonality relation, specifically
          <disp-formula id="App1.Ch1.E3" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mtext>He</mml:mtext><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mtext>He</mml:mtext><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">!</mml:mi><mml:mspace width="0.33em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the Kronecker delta. Notice that a special case of
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.E3"/>), for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, is the integral identity
          <disp-formula id="App1.Ch1.E4" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mtext>He</mml:mtext><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><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:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        Thirdly and fourthly, the following differentiation and recursion relations
can be obtained:

              <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E5"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mtext>He</mml:mtext><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:msub><mml:mtext>He</mml:mtext><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:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E6"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:msub><mml:mtext>He</mml:mtext><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mtext>He</mml:mtext><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:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:msub><mml:mtext>He</mml:mtext><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:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          The results (Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.E2"/>–<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.E6"/>) are used in the derivation of
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E11"/>).</p><?xmltex \hack{\newpage}?>
</app>

<app id="App1.Ch1.S2">
  <title>Boundary condition implementation</title>
<sec id="App1.Ch1.S2.SS1">
  <title>FPE numerical boundary conditions</title>
      <p>The FPE Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E3"/>) is solved numerically by
integrating Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E11"/>) using the central finite difference method

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</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>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</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>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E7"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>i</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: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>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</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>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</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 display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, for
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>i</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:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Careful treatment is necessary at the boundaries. For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula>
odd, the physical boundary conditions <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> imply the
following substitutions for the values at the virtual points at <inline-formula><mml:math display="inline"><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:math></inline-formula> and
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. For
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> even, the equation itself with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> odd requires <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. These substitutions allow the right-hand side
of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.E7"/>) to be expressed as a <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>×</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> matrix
equation and completes the discretisation.</p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S2.SS2">
  <title>LPDM numerical boundary conditions</title>
      <p>In the numerical implementation of LPDM Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E2"/>), the reflection
condition <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>→</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is applied at the bottom and top of the
ABL, where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> respectively. This means that perfect
reflection at the boundaries is also assumed for the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> computation.
<list list-type="bullet"><list-item>
      <p>At the end of every time step of the
numerical scheme <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, any “illegal”
particle <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> that crosses the boundaries, i.e. below
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> or above <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, will be reflected back into the domain and its velocity
direction is reversed, i.e. <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></list-item><list-item>
      <p>Higher-order schemes  involve intermediate
time steps. Our treatment of intermediate time steps is as follows. First,
the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> domain is extended to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, by repeated
reflection of the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> profiles in the boundaries. In
this extended domain, all intermediate time steps are completed according to
the algorithm in question, and then, at the end of the completed time-step
reflection, as detailed above, take the particle back into the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><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:mrow></mml:math></inline-formula>
domain where necessary. The domain extension device thus uniquely determines
an unambiguous treatment of reflection of particles near the boundaries in
the higher weak order schemes EXPLICIT 2.0, HON-SRKII, and EXPLICIT 3.0
detailed in Tables 2–3.</p></list-item></list>
<?xmltex \hack{\newpage}?></p>
</sec>
</app>

<app id="App1.Ch1.S3">
  <title>Derivation of a new long time-stepping scheme (LONGSTEP)</title>
      <p>Here we derive a new long time-stepping scheme – LONGSTEP. The scheme is
designed to give acceptable results when integrating Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E2"/>)
using time steps <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">≳</mml:mi><mml:mtext>Min</mml:mtext><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, for use in
operational models. The starting point for the scheme is the velocity update
equation for the LEGGRAUP scheme (see Table 2)

              <disp-formula id="App1.Ch1.E8" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></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:msup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">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:mrow></mml:math></inline-formula> is a random variable drawn from a Gaussian distribution
with zero mean and unit variance. This scheme is obtained by first
transforming Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E2"/>) using Itô's lemma to obtain
          <disp-formula id="App1.Ch1.Ex4"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></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:msup><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        If both <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are taken to be constant
(i.e. <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), this equation can be integrated
to give

              <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E9"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></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:msup><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi>t</mml:mi></mml:munderover><mml:msup><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          Stochastic integrals of the form
          <disp-formula id="App1.Ch1.Ex6"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi>t</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi>t</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mi>s</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>;</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        hence, the final term in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.E9"/>) can be replaced by a Gaussian
random variable to give
          <disp-formula id="App1.Ch1.E10" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">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:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></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:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.E8"/>) used by
LEGGRAUP follows immediately from this solution.</p>
      <p>The point where our analysis departs from that of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx15" id="text.54"/> is in
the derivation of the position update. Under the approximation of linear
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the position Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E2"/>) is
          <disp-formula id="App1.Ch1.E11" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mfenced><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        which, applying Itô's lemma, can be written as
          <disp-formula id="App1.Ch1.E12" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>log⁡</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mfenced></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        and integrated to obtain
          <disp-formula id="App1.Ch1.E13" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>log⁡</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>log⁡</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mfenced></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi>t</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        The update equation used in LEGGRAUP, i.e. from Table 2,
          <disp-formula id="App1.Ch1.E14" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        would be correct (only in the limit <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) in the event that
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> were a deterministic variable in the interval <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
However, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a stochastic variable, and hence it is a very crude
approximation (error <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) to replace the integral on the right-hand side
of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.E13"/>) by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (which leads to the update
Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.E14"/>). Instead, the integral needs to be considered carefully, as
follows.</p>
      <p>To evaluate the <italic>stochastic</italic> integral on the right-hand side of
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.E13"/>) integral, we can insert the solution (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.E9"/>)
for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to obtain

              <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi>t</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E15"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></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:msup><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi>t</mml:mi></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi>s</mml:mi></mml:munderover><mml:msup><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          The final term can be evaluated following a switch in the order of
integration:

              <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi>t</mml:mi></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi>s</mml:mi></mml:munderover><mml:msup><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi>t</mml:mi></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:munderover><mml:msup><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mi>s</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E16"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi>t</mml:mi></mml:munderover><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mfenced><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">τ</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:msup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">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:mrow></mml:math></inline-formula> and
          <disp-formula id="App1.Ch1.Ex9"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></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:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mfenced></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:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        The issue for implementation is that the Gaussian random variables
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are not independent.  In fact,
they have covariance given by

              <disp-formula specific-use="align"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:msqrt><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msqrt><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi>t</mml:mi></mml:munderover><mml:msup><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mfenced><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mi>s</mml:mi><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msqrt><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          Independent random variables can be introduced by writing
          <disp-formula id="App1.Ch1.E17" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></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:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are independent with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">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:mrow></mml:math></inline-formula>.
<?xmltex \hack{\newpage}?>
The explicit solution of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.E13"/>) can therefore be written as

              <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mtext>where</mml:mtext></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E18"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></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:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          The LONGSTEP scheme, given explicitly in Table 2, consists of the LEGGRAUP
velocity update (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.E8"/>) and a position update obtained from the
solution (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.E18"/>) by linearizing <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> about the current
position <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Similar to E-M, LONGSTEP converges with weak error <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>; however, it is designed to perform better at long time steps, as
is tested in Sect. 5.</p>
</app>

<app id="App1.Ch1.S4">
  <title>Bandwidth selection and statistical error</title>
      <p>Physical concentrations of the particles <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be
reconstructed from the resulting LPDM trajectory ensemble solution, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> using the kernel density estimation (KDE)
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx24 bib1.bibx31" id="paren.55"><named-content content-type="pre">e.g.</named-content></xref>. KDE is a statistical technique used to
estimate an unknown pdf from a finite set of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> independent samples drawn
from a random variable with that same pdf. KDE works by weighting each
particle by a smoothed kernel function so that the probability represented by
each particle becomes continuously spread out in space; see
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E19"/>).</p>
      <p><?xmltex \hack{\newpage}?>Once a sensible kernel function is chosen, and here we use the Gaussian
kernel <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mtext>G</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the challenge
in KDE is to choose the optimal kernel bandwidth <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mtext>b</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> that will
result in the most accurate reconstruction of the pdf. Suppose that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is
a pdf and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mtext>b</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a reconstruction of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> based on
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> samples drawn independently from a random variable with pdf <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, using
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E19"/>) with bandwidth <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mtext>b</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The optimal <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is then
typically chosen to minimise the expected value of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:msubsup><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
i.e. the square of the L<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi/><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula>-error norm (often called the mean integrated
square error or MISE in the statistics literature). The key result <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx24" id="paren.56"><named-content content-type="pre">see
e.g.</named-content></xref> is that
          <disp-formula id="App1.Ch1.Ex14"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msubsup><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>G</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mtext>G</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The choice <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mtext>b</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
results in the expected minimum error being
          <disp-formula id="App1.Ch1.E19" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mtext>Min</mml:mtext><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:msubsup><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        which is the formula for statistical error which allows the solid line to be
calculated and plotted in Figs. 4–6.</p><?xmltex \hack{\clearpage}?>
</app>
  </app-group><ack><title>Acknowledgements</title><p>J. Gavin Esler acknowledges support from UK Natural Environment Research
Council grant NE/G016003/1. H. M. Ramli acknowledges support from a UBD
Chancellor's Scholarship and UCL Studentship.<?xmltex \hack{\newline}?><?xmltex \hack{\newline}?>
Edited by: S. Unterstrasser<?xmltex \hack{\newline}?> Reviewed by: two anonymous
referees</p></ack><ref-list>
    <title>References</title>

      <ref id="bib1.bibx1"><label>Abramowitz and Stegun(1965)</label><mixed-citation>
Abramowitz, M. and Stegun, I.: Handbook of Mathematical Functions, Dover
Publications, 1064 pp., 1965.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx2"><label>Barndorff-Nielsen and Cox(1989)</label><mixed-citation>
Barndorff-Nielsen, O. E. and Cox, D. R.: Asymptotic Techniques for Use in Statistics,
Chapman &amp; Hall/CRC Monographs on Statistics &amp; Applied Probability, 1989.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx3"><label>Berthet et al.(2007)Berthet, Esler, and Haynes</label><mixed-citation>Berthet, G., Esler, J. G., and Haynes, P. H.: A Lagrangian perspective of the
tropopause and the ventilation of the lowermost stratosphere, J. Geophys.
Res., 112, D18102, <ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1029/2006JD008295" ext-link-type="DOI">10.1029/2006JD008295</ext-link>, 2007.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx4"><label>Cassiani et al.(2013)Cassiani, Stohl, and Eckhardt</label><mixed-citation>Cassiani, M., Stohl, A., and Eckhardt, S.: The dispersion characteristics of
air pollution from the world's megacities, Atmos. Chem. Phys., 13,
9975–9996, <ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.5194/acp-13-9975-2013" ext-link-type="DOI">10.5194/acp-13-9975-2013</ext-link>, 2013.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx5"><label>Cassiani et al.(2015)Cassiani, Stohl, and Brioude</label><mixed-citation>
Cassiani, M., Stohl, A., and Brioude, J.: Lagrangian stochastic modelling of
dispersion in the convective boundary layer with skewed turbulence conditions
and a vertical density gradient: Formulation and implementation in the
FLEXPART model, Bound.-Lay. Meteorol., 154, 367–390, 2015.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx6"><label>D'Amours et al.(2010)</label><mixed-citation>D'Amours, R.,  Malo, A.,   Servranckx, R., Bensimon, D.,  Trudel, S., and
Gauthier-Bilodeau, J.-P.: Application of the atmospheric Lagrangian particle
dispersion model MLDP0 to the 2008 eruptions of Okmok and Kasatochi
volcanoes, J. Geophys. Res., 115, D00L11, <ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1029/2009JD013602" ext-link-type="DOI">10.1029/2009JD013602</ext-link>,
2010.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx7"><label>Devenish et al.(2011)</label><mixed-citation>Devenish, B. J.,   Thomson, D. J.,   Marenco, F.,  Leadbetter, S. J.,  Ricketts,  H., and  Dacre, H. F.: A study
of the arrival over the United Kingdom in
April 2010 of the Eyjafjallajokull ash cloud using ground-based lidar and
numerical simulations, Atmos. Environ., 48, 152–164,
<ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1016/j.atmosenv.2011.06.033" ext-link-type="DOI">10.1016/j.atmosenv.2011.06.033</ext-link>, 2011.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx8"><label>Forster et al.(2007)Forster, Stohl, and Seibert</label><mixed-citation>
Forster, C., Stohl, A., and Seibert, P.: Parameterization of convective
transport in a Lagrangian particle dispersion model and its evaluation, J.
Appl. Meteorol., 46, 403–422, 2007.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx9"><label>Gardiner(2009)</label><mixed-citation>
Gardiner, C. W.: Stochastic Methods: A Handbook for the Natural and Social
Sciences, Springer, Berlin, 4th Edn., 447 pp., 2009.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx10"><label>Hanna(1982)</label><mixed-citation>
Hanna, S. R.: Applications in air pollution modeling, D. Reidel Publishing
Company, Dordrecht, Holland, 1982.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx11"><label>Honeycutt(1992)</label><mixed-citation>Honeycutt, R. L.: Stochastic Runge-Kutta algorithms. I. White noise, Phys. Rev.
A, 45, 600–603, <ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevA.45.600" ext-link-type="DOI">10.1103/PhysRevA.45.600</ext-link>, 1992.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx12"><label>Jones et al.(2007)</label><mixed-citation>
Jones, A. R., Thomson, D.,  Hort, M., and  Devenish, B.: The U.K.
Met Office's next-generation atmospheric
dispersion model, NAME III, in: Air Pollution Modeling and its Application
XVII, 580–589, Springer, Berlin, Germany, 2007.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx13"><label>Kassam and Trefethen(2005)</label><mixed-citation>
Kassam, A.-K. and Trefethen, L. N.: Fourth-order time stepping for stiff
PDEs, SIAM J. Sci. Comput, 26, 1214–1233, 2005.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx14"><label>Kloeden and Platen(1992)</label><mixed-citation>
Kloeden, P. E. and Platen, E.: Numerical Solution of Stochastic Differential
Equations, Springer-Verlag, Berlin, Germany, 4th Edn., 636 pp., 1992.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx15"><label>Legg and Raupach(1982)</label><mixed-citation>
Legg, B. J. and Raupach, M. R.: Markov-chain simulation of particle dispersion
in inhomogeneous flows: The mean drift velocity induced by a gradient in
Eulerian velocity variance, Bound.-Lay. Meteorol., 24, 3–13, 1982.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx16"><label>Legras et al.(2005)Legras, Pisso, Berthet, and Lefevre</label><mixed-citation>Legras, B., Pisso, I., Berthet, G., and Lefèvre, F.: Variability of the
Lagrangian turbulent diffusion in the lower stratosphere, Atmos. Chem. Phys.,
5, 1605–1622, <ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.5194/acp-5-1605-2005" ext-link-type="DOI">10.5194/acp-5-1605-2005</ext-link>, 2005.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx17"><label>Maruyama(1955)</label><mixed-citation>
Maruyama, G.: Continuous Markov processes and stochastic equations, Rend Circ
Math Palermo, 4, 48–90, 1955.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx18"><label>Milstein and Tretyakov(2004)</label><mixed-citation>
Milstein, G. N. and Tretyakov, M. V.: Stochastic Numerics for Mathematical
Physics, Springer,  Springer Berlin Heidelber, 594 pp., 2004.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx19"><label>Mohd. Ramli (2016)</label><mixed-citation>Mohd. Ramli H.: MRE FPE solver, GitHub repository,
<uri>https://github.com/nhramli/MRE-FPEsolver</uri>, 2016.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx20"><label>Platen and Liberati(2010)</label><mixed-citation>
Platen, E. and Liberati, N. B.: Numerical solution of stochastic differential
equations with jumps in finance, Springer-Verlag, Berlin, Germany, 1st Edn., 856 pp.,
2010.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx21"><label>Rodean(1996)</label><mixed-citation>
Rodean, H. C.: Stochastic Lagrangian Models of Turbulent Diffusion, American
Meteorological Society, Chicago, 84 pp., 1996.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx22"><label>Ryall and Maryon(1998)</label><mixed-citation>
Ryall, D. and Maryon, R.: Validation of the UK Met. Office's NAME
model against the ETEX dataset, Atmos. Environ., 32, 4265–4276, 1998.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx23"><label>Seibert and Frank(2004)</label><mixed-citation>Seibert, P. and Frank, A.: Source-receptor matrix calculation with a
Lagrangian particle dispersion model in backward mode, Atmos. Chem. Phys., 4,
51–63, <ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.5194/acp-4-51-2004" ext-link-type="DOI">10.5194/acp-4-51-2004</ext-link>, 2004.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx24"><label>Silverman(1986)</label><mixed-citation>
Silverman, B. W.: Density estimation for statistics and data analysis, Chapman
and Hall, London, UK, 176 pp., 1986.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx25"><label>Stohl et al.(1998)Stohl, Hittenberger, and Wotawa</label><mixed-citation>
Stohl, A., Hittenberger, M., and Wotawa, G.: Validation of the Lagrangian
particle dispersion model FLEXPART against large scale tracer experiments,
Atmos. Environ., 32, 4245–4264, 1998.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx26"><label>Stohl et al.(2005)Stohl, Forster, Frank, Seibert, and
Wotawa</label><mixed-citation>Stohl, A., Forster, C., Frank, A., Seibert, P., and Wotawa, G.: Technical
note: The Lagrangian particle dispersion model FLEXPART version 6.2, Atmos.
Chem. Phys., 5, 2461–2474, <ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.5194/acp-5-2461-2005" ext-link-type="DOI">10.5194/acp-5-2461-2005</ext-link>, 2005.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx27"><label>Stohl et al.(2010)</label><mixed-citation>Stohl, A., Kim, J., Li, S., O'Doherty, S., Mühle, J., Salameh, P. K.,
Saito, T., Vollmer, M. K., Wan, D., Weiss, R. F., Yao, B., Yokouchi, Y., and
Zhou, L. X.: Hydrochlorofluorocarbon and hydrofluorocarbon emissions in East
Asia determined by inverse modeling, Atmos. Chem. Phys., 10, 3545–3560,
<ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.5194/acp-10-3545-2010" ext-link-type="DOI">10.5194/acp-10-3545-2010</ext-link>, 2010.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx28"><label>Stohl et al.(2012)Stohl, Seibert, and Wotawa</label><mixed-citation>Stohl, A., Seibert, P., and Wotawa, G.: The total release of xenon-133 from the
Fukushima Dai-ichi nuclear power plant accident, J. Environ. Radioactiv.,
112, 155–159, <ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1016/j.jenvrad.2012.06.001" ext-link-type="DOI">10.1016/j.jenvrad.2012.06.001</ext-link>, 2012.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx29"><label>Thomson(1987)</label><mixed-citation>
Thomson, D. J.: Criteria for the selection of stochastic models of particle
trajectories in turbulent flows, J. Fluid Mech., 180, 529—556, 1987.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx30"><label>Thomson et al.(1997)Thomson, Physick, and Maryon</label><mixed-citation>
Thomson, D. J., Physick, W. L., and Maryon, R. H.: Treatment of Interfaces in
Random Walk Dispersion Models, J. Appl. Meteorol., 36, 1284–1295, 1997.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx31"><label>Wand and Jones(1994)</label><mixed-citation>
Wand, M. P. and Jones, M. C.: Kernel Smoothing, Chapman and Hall, London,
UK, 224 pp., 1994.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx32"><label>Wilson and Flesch(1993)</label><mixed-citation>
Wilson, J. D. and Flesch, T. K.: Flow boundaries in random flight dispersion
models: enforcing the well-mixed condition, J. Appl. Meteorol., 32,
1695–1707, 1993.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx33"><label>Wilson and Sawford(1996)</label><mixed-citation>
Wilson, J. D. and Sawford, B. L.: Review of Lagrangian stochastic models for
trajectories in the turbulent atmosphere, Bound.-Lay. Meteorol., 78,
191–210, 1996.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx34"><label>Wilson and Yee(2007)</label><mixed-citation>Wilson, J. D. and Yee, E.: A critical examination of the random displacement
model of turbulent dispersion, Bound.-Lay Meteorol., 125, 399–416, 2007.
 </mixed-citation></ref><?xmltex \hack{\newpage}?>
      <ref id="bib1.bibx35"><label>Wilson et al.(1993)Wilson, Flesch, and Swaters</label><mixed-citation>
Wilson, J. D., Flesch, T. K., and Swaters, G. E.: Dispersion in sheared
Gaussian homogeneous turbulence, Bound.-Lay. Meteorol., 62, 281–290, 1993.</mixed-citation></ref>

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

    </app></app-group></back>
    <!--<article-title-html>Quantitative evaluation of numerical integration schemes for Lagrangian particle
dispersion models</article-title-html>
<abstract-html><p class="p">A rigorous methodology for the evaluation of integration schemes for
Lagrangian particle dispersion models (LPDMs) is presented. A series of
one-dimensional test problems are introduced, for which the Fokker–Planck
equation is solved numerically using a finite-difference discretisation in
physical space and a Hermite function expansion in velocity space. Numerical
convergence errors in the Fokker–Planck equation solutions are shown to be
much less than the statistical error associated with a practical-sized
ensemble (<i>N</i> = 10<sup>6</sup>) of LPDM solutions; hence, the former can be used to
validate the latter. The test problems are then used to evaluate commonly
used LPDM integration schemes. The results allow for optimal time-step
selection for each scheme, given a required level of accuracy. The following
recommendations are made for use in operational models. First, if
computational constraints require the use of moderate to long time steps, it
is more accurate to solve the random displacement model approximation to the
LPDM rather than use existing schemes designed for long time steps. Second,
useful gains in numerical accuracy can be obtained, at moderate additional
computational cost, by using the relatively simple “small-noise” scheme of
Honeycutt.</p></abstract-html>
<ref-html id="bib1.bib1"><label>Abramowitz and Stegun(1965)</label><mixed-citation>
Abramowitz, M. and Stegun, I.: Handbook of Mathematical Functions, Dover
Publications, 1064 pp., 1965.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib2"><label>Barndorff-Nielsen and Cox(1989)</label><mixed-citation>
Barndorff-Nielsen, O. E. and Cox, D. R.: Asymptotic Techniques for Use in Statistics,
Chapman &amp; Hall/CRC Monographs on Statistics &amp; Applied Probability, 1989.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib3"><label>Berthet et al.(2007)Berthet, Esler, and Haynes</label><mixed-citation>
Berthet, G., Esler, J. G., and Haynes, P. H.: A Lagrangian perspective of the
tropopause and the ventilation of the lowermost stratosphere, J. Geophys.
Res., 112, D18102, <a href="http://dx.doi.org/10.1029/2006JD008295" target="_blank">doi:10.1029/2006JD008295</a>, 2007.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib4"><label>Cassiani et al.(2013)Cassiani, Stohl, and Eckhardt</label><mixed-citation>
Cassiani, M., Stohl, A., and Eckhardt, S.: The dispersion characteristics of
air pollution from the world's megacities, Atmos. Chem. Phys., 13,
9975–9996, <a href="http://dx.doi.org/10.5194/acp-13-9975-2013" target="_blank">doi:10.5194/acp-13-9975-2013</a>, 2013.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib5"><label>Cassiani et al.(2015)Cassiani, Stohl, and Brioude</label><mixed-citation>
Cassiani, M., Stohl, A., and Brioude, J.: Lagrangian stochastic modelling of
dispersion in the convective boundary layer with skewed turbulence conditions
and a vertical density gradient: Formulation and implementation in the
FLEXPART model, Bound.-Lay. Meteorol., 154, 367–390, 2015.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib6"><label>D'Amours et al.(2010)</label><mixed-citation>
D'Amours, R.,  Malo, A.,   Servranckx, R., Bensimon, D.,  Trudel, S., and
Gauthier-Bilodeau, J.-P.: Application of the atmospheric Lagrangian particle
dispersion model MLDP0 to the 2008 eruptions of Okmok and Kasatochi
volcanoes, J. Geophys. Res., 115, D00L11, <a href="http://dx.doi.org/10.1029/2009JD013602" target="_blank">doi:10.1029/2009JD013602</a>,
2010.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib7"><label>Devenish et al.(2011)</label><mixed-citation>
Devenish, B. J.,   Thomson, D. J.,   Marenco, F.,  Leadbetter, S. J.,  Ricketts,  H., and  Dacre, H. F.: A study
of the arrival over the United Kingdom in
April 2010 of the Eyjafjallajokull ash cloud using ground-based lidar and
numerical simulations, Atmos. Environ., 48, 152–164,
<a href="http://dx.doi.org/10.1016/j.atmosenv.2011.06.033" target="_blank">doi:10.1016/j.atmosenv.2011.06.033</a>, 2011.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib8"><label>Forster et al.(2007)Forster, Stohl, and Seibert</label><mixed-citation>
Forster, C., Stohl, A., and Seibert, P.: Parameterization of convective
transport in a Lagrangian particle dispersion model and its evaluation, J.
Appl. Meteorol., 46, 403–422, 2007.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib9"><label>Gardiner(2009)</label><mixed-citation>
Gardiner, C. W.: Stochastic Methods: A Handbook for the Natural and Social
Sciences, Springer, Berlin, 4th Edn., 447 pp., 2009.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib10"><label>Hanna(1982)</label><mixed-citation>
Hanna, S. R.: Applications in air pollution modeling, D. Reidel Publishing
Company, Dordrecht, Holland, 1982.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib11"><label>Honeycutt(1992)</label><mixed-citation>
Honeycutt, R. L.: Stochastic Runge-Kutta algorithms. I. White noise, Phys. Rev.
A, 45, 600–603, <a href="http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevA.45.600" target="_blank">doi:10.1103/PhysRevA.45.600</a>, 1992.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib12"><label>Jones et al.(2007)</label><mixed-citation>
Jones, A. R., Thomson, D.,  Hort, M., and  Devenish, B.: The U.K.
Met Office's next-generation atmospheric
dispersion model, NAME III, in: Air Pollution Modeling and its Application
XVII, 580–589, Springer, Berlin, Germany, 2007.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib13"><label>Kassam and Trefethen(2005)</label><mixed-citation>
Kassam, A.-K. and Trefethen, L. N.: Fourth-order time stepping for stiff
PDEs, SIAM J. Sci. Comput, 26, 1214–1233, 2005.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib14"><label>Kloeden and Platen(1992)</label><mixed-citation>
Kloeden, P. E. and Platen, E.: Numerical Solution of Stochastic Differential
Equations, Springer-Verlag, Berlin, Germany, 4th Edn., 636 pp., 1992.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib15"><label>Legg and Raupach(1982)</label><mixed-citation>
Legg, B. J. and Raupach, M. R.: Markov-chain simulation of particle dispersion
in inhomogeneous flows: The mean drift velocity induced by a gradient in
Eulerian velocity variance, Bound.-Lay. Meteorol., 24, 3–13, 1982.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib16"><label>Legras et al.(2005)Legras, Pisso, Berthet, and Lefevre</label><mixed-citation>
Legras, B., Pisso, I., Berthet, G., and Lefèvre, F.: Variability of the
Lagrangian turbulent diffusion in the lower stratosphere, Atmos. Chem. Phys.,
5, 1605–1622, <a href="http://dx.doi.org/10.5194/acp-5-1605-2005" target="_blank">doi:10.5194/acp-5-1605-2005</a>, 2005.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib17"><label>Maruyama(1955)</label><mixed-citation>
Maruyama, G.: Continuous Markov processes and stochastic equations, Rend Circ
Math Palermo, 4, 48–90, 1955.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib18"><label>Milstein and Tretyakov(2004)</label><mixed-citation>
Milstein, G. N. and Tretyakov, M. V.: Stochastic Numerics for Mathematical
Physics, Springer,  Springer Berlin Heidelber, 594 pp., 2004.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib19"><label>Mohd. Ramli (2016)</label><mixed-citation> Mohd. Ramli H.: MRE FPE solver, GitHub repository,
<a href="https://github.com/nhramli/MRE-FPEsolver" target="_blank">https://github.com/nhramli/MRE-FPEsolver</a>, 2016.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib20"><label>Platen and Liberati(2010)</label><mixed-citation>
Platen, E. and Liberati, N. B.: Numerical solution of stochastic differential
equations with jumps in finance, Springer-Verlag, Berlin, Germany, 1st Edn., 856 pp.,
2010.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib21"><label>Rodean(1996)</label><mixed-citation>
Rodean, H. C.: Stochastic Lagrangian Models of Turbulent Diffusion, American
Meteorological Society, Chicago, 84 pp., 1996.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib22"><label>Ryall and Maryon(1998)</label><mixed-citation>
Ryall, D. and Maryon, R.: Validation of the UK Met. Office's NAME
model against the ETEX dataset, Atmos. Environ., 32, 4265–4276, 1998.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib23"><label>Seibert and Frank(2004)</label><mixed-citation>
Seibert, P. and Frank, A.: Source-receptor matrix calculation with a
Lagrangian particle dispersion model in backward mode, Atmos. Chem. Phys., 4,
51–63, <a href="http://dx.doi.org/10.5194/acp-4-51-2004" target="_blank">doi:10.5194/acp-4-51-2004</a>, 2004.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib24"><label>Silverman(1986)</label><mixed-citation>
Silverman, B. W.: Density estimation for statistics and data analysis, Chapman
and Hall, London, UK, 176 pp., 1986.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib25"><label>Stohl et al.(1998)Stohl, Hittenberger, and Wotawa</label><mixed-citation>
Stohl, A., Hittenberger, M., and Wotawa, G.: Validation of the Lagrangian
particle dispersion model FLEXPART against large scale tracer experiments,
Atmos. Environ., 32, 4245–4264, 1998.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib26"><label>Stohl et al.(2005)Stohl, Forster, Frank, Seibert, and
Wotawa</label><mixed-citation>
Stohl, A., Forster, C., Frank, A., Seibert, P., and Wotawa, G.: Technical
note: The Lagrangian particle dispersion model FLEXPART version 6.2, Atmos.
Chem. Phys., 5, 2461–2474, <a href="http://dx.doi.org/10.5194/acp-5-2461-2005" target="_blank">doi:10.5194/acp-5-2461-2005</a>, 2005.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib27"><label>Stohl et al.(2010)</label><mixed-citation>
Stohl, A., Kim, J., Li, S., O'Doherty, S., Mühle, J., Salameh, P. K.,
Saito, T., Vollmer, M. K., Wan, D., Weiss, R. F., Yao, B., Yokouchi, Y., and
Zhou, L. X.: Hydrochlorofluorocarbon and hydrofluorocarbon emissions in East
Asia determined by inverse modeling, Atmos. Chem. Phys., 10, 3545–3560,
<a href="http://dx.doi.org/10.5194/acp-10-3545-2010" target="_blank">doi:10.5194/acp-10-3545-2010</a>, 2010.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib28"><label>Stohl et al.(2012)Stohl, Seibert, and Wotawa</label><mixed-citation>
Stohl, A., Seibert, P., and Wotawa, G.: The total release of xenon-133 from the
Fukushima Dai-ichi nuclear power plant accident, J. Environ. Radioactiv.,
112, 155–159, <a href="http://dx.doi.org/10.1016/j.jenvrad.2012.06.001" target="_blank">doi:10.1016/j.jenvrad.2012.06.001</a>, 2012.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib29"><label>Thomson(1987)</label><mixed-citation>
Thomson, D. J.: Criteria for the selection of stochastic models of particle
trajectories in turbulent flows, J. Fluid Mech., 180, 529—556, 1987.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib30"><label>Thomson et al.(1997)Thomson, Physick, and Maryon</label><mixed-citation>
Thomson, D. J., Physick, W. L., and Maryon, R. H.: Treatment of Interfaces in
Random Walk Dispersion Models, J. Appl. Meteorol., 36, 1284–1295, 1997.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib31"><label>Wand and Jones(1994)</label><mixed-citation>
Wand, M. P. and Jones, M. C.: Kernel Smoothing, Chapman and Hall, London,
UK, 224 pp., 1994.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib32"><label>Wilson and Flesch(1993)</label><mixed-citation>
Wilson, J. D. and Flesch, T. K.: Flow boundaries in random flight dispersion
models: enforcing the well-mixed condition, J. Appl. Meteorol., 32,
1695–1707, 1993.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib33"><label>Wilson and Sawford(1996)</label><mixed-citation>
Wilson, J. D. and Sawford, B. L.: Review of Lagrangian stochastic models for
trajectories in the turbulent atmosphere, Bound.-Lay. Meteorol., 78,
191–210, 1996.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib34"><label>Wilson and Yee(2007)</label><mixed-citation>
Wilson, J. D. and Yee, E.: A critical examination of the random displacement
model of turbulent dispersion, Bound.-Lay Meteorol., 125, 399–416, 2007.

</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib35"><label>Wilson et al.(1993)Wilson, Flesch, and Swaters</label><mixed-citation>
Wilson, J. D., Flesch, T. K., and Swaters, G. E.: Dispersion in sheared
Gaussian homogeneous turbulence, Bound.-Lay. Meteorol., 62, 281–290, 1993.
</mixed-citation></ref-html>--></article>
