<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing with OASIS Tables v3.0 20080202//EN" "journalpub-oasis3.dtd">
<article xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:oasis="http://docs.oasis-open.org/ns/oasis-exchange/table" xml:lang="en" dtd-version="3.0" article-type="research-article"><?xmltex \hack{\hyphenation{referee}}?><?xmltex \hack{\hyphenation{va-lues}}?><?xmltex \hack{\hyphenation{diffe-ren-ces}}?>
  <front>
    <journal-meta><journal-id journal-id-type="publisher">NPG</journal-id><journal-title-group>
    <journal-title>Nonlinear Processes in Geophysics</journal-title>
    <abbrev-journal-title abbrev-type="publisher">NPG</abbrev-journal-title><abbrev-journal-title abbrev-type="nlm-ta">Nonlin. Processes Geophys.</abbrev-journal-title>
  </journal-title-group><issn pub-type="epub">1607-7946</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/npg-29-219-2022</article-id><title-group><article-title>Climate bifurcations in a Schwarzschild equation model of <?xmltex \hack{\break}?>the Arctic atmosphere</article-title><alt-title>Climate bifurcations in a Schwarzschild model of the Arctic atmosphere</alt-title>
      </title-group><?xmltex \runningtitle{Climate bifurcations in a Schwarzschild model of the Arctic atmosphere}?><?xmltex \runningauthor{K. L. Kypke et al.}?>
      <contrib-group>
        <contrib contrib-type="author" corresp="no" rid="aff1">
          <name><surname>Kypke</surname><given-names>Kolja L.</given-names></name>
          
        <ext-link>https://orcid.org/0000-0002-4441-3478</ext-link></contrib>
        <contrib contrib-type="author" corresp="no" rid="aff2">
          <name><surname>Langford</surname><given-names>William F.</given-names></name>
          
        </contrib>
        <contrib contrib-type="author" corresp="no" rid="aff3">
          <name><surname>Lewis</surname><given-names>Gregory M.</given-names></name>
          
        </contrib>
        <contrib contrib-type="author" corresp="yes" rid="aff2">
          <name><surname>Willms</surname><given-names>Allan R.</given-names></name>
          <email>awillms@uoguelph.ca</email>
        <ext-link>https://orcid.org/0000-0003-3502-5163</ext-link></contrib>
        <aff id="aff1"><label>1</label><institution>Niels Bohr Institute, University of Copenhagen, Copenhagen, Denmark</institution>
        </aff>
        <aff id="aff2"><label>2</label><institution>Dept. of Mathematics &amp; Statistics, University of Guelph, Guelph, Canada</institution>
        </aff>
        <aff id="aff3"><label>3</label><institution>Faculty of Science, Ontario Tech University, Oshawa, Canada</institution>
        </aff>
      </contrib-group>
      <author-notes><corresp id="corr1">Allan R. Willms (awillms@uoguelph.ca)</corresp></author-notes><pub-date><day>15</day><month>June</month><year>2022</year></pub-date>
      
      <volume>29</volume>
      <issue>2</issue>
      <fpage>219</fpage><lpage>239</lpage>
      <history>
        <date date-type="received"><day>10</day><month>January</month><year>2022</year></date>
           <date date-type="rev-request"><day>19</day><month>January</month><year>2022</year></date>
           <date date-type="rev-recd"><day>9</day><month>May</month><year>2022</year></date>
           <date date-type="accepted"><day>18</day><month>May</month><year>2022</year></date>
      </history>
      <permissions>
        <copyright-statement>Copyright: © 2022 </copyright-statement>
        <copyright-year>2022</copyright-year>
      <license license-type="open-access"><license-p>This work is licensed under the Creative Commons Attribution 4.0 International License. To view a copy of this licence, visit <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/</ext-link></license-p></license></permissions><self-uri xlink:href="https://npg.copernicus.org/articles/.html">This article is available from https://npg.copernicus.org/articles/.html</self-uri><self-uri xlink:href="https://npg.copernicus.org/articles/.pdf">The full text article is available as a PDF file from https://npg.copernicus.org/articles/.pdf</self-uri>
      <abstract><title>Abstract</title>

      <p id="d1e127">A column model of the Arctic atmosphere is developed including the nonlinear positive feedback responses of surface albedo and water vapour to temperature. The atmosphere is treated as a grey gas and the flux of longwave radiation is governed by the
two-stream Schwarzschild equations.
Water vapour concentration is determined by the Clausius–Clapeyron equation. Representative concentration pathways (RCPs) are used to model carbon dioxide concentrations into the future.
The resulting 9D two-point boundary value problem is solved under various RCPs and the solutions analysed. The model predicts that under the highest carbon pathway, the Arctic climate will undergo an
irreversible bifurcation to a warm steady state, which would correspond to annually ice-free
conditions.
Under the lowest carbon pathway, corresponding to very aggressive carbon emission reductions,
the model exhibits only a mild increase in Arctic temperatures.
Under the two intermediate carbon pathways, temperatures increase more substantially, and
the system enters a region of bistability where external perturbations could possibly
cause an irreversible switch to a warm, ice-free state.</p>
  </abstract>
    </article-meta>
  </front>
<body>
      

<sec id="Ch1.S1" sec-type="intro">
  <label>1</label><title>Introduction</title>
      <p id="d1e139">Climate change is causing rapid temperature increases in the polar regions.
A fundamental question is whether these temperature increases are reversible.
If humanity fails to prevent a substantial warming of the planet in the next few decades, which
is appearing to be more and more likely, will it be possible in the future to reverse our effects on
climate enough to restore lower temperatures, or will we have passed a tipping point beyond which return to the present state is impossible?
We address this question in particular for the Arctic, where the observed climate change is the most
dramatic.</p>
      <p id="d1e142">The Earth's climate is an extremely complex system.
Modelling efforts range from simple models attempting to isolate the most pertinent features to very complicated numerical models trying to capture as many details as possible.
The model presented here is close to the simple end of this spectrum, although not as simple
as some, in that it is a 9D nonlinear two-point boundary value problem. The advantage of relatively simple models is that they allow more direct analysis of cause and effect, which is often obscured in highly complicated models.</p>
      <p id="d1e145">The term “tipping point” is used by different researchers in various ways;
see <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx25" id="text.1"/> and <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx16" id="text.2"/> for some definitions and discussion of the term.
In all cases, however, tipping points are associated with large qualitative changes in a system
due to relatively small changes in the parameters or “forcings” that drive the system.
In the present paper, tipping points arise as a
result of saddle-node and cusp bifurcations in the mathematical model.
The mathematical theory of bifurcations is well-developed <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx13" id="paren.3"/> and employed here.
Figure <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F1"/> illustrates the typical behaviour associated with these bifurcations.
In Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F1"/>a there are two saddle-node bifurcations resulting
in a parameter interval of bistability; that is, two stable states coexist for an interval of <inline-formula><mml:math id="M1" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:math></inline-formula> values.
If the system is on the lower branch of stable states, then, as <inline-formula><mml:math id="M2" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:math></inline-formula> increases through a critical value <inline-formula><mml:math id="M3" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">crit</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, there is an abrupt jump to the upper branch of stable states. In contrast, as <inline-formula><mml:math id="M4" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:math></inline-formula> decreases, the jump back to the lower state
does not occur until a much smaller critical value of <inline-formula><mml:math id="M5" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:math></inline-formula>.
This phenomenon is called hysteresis.
If present in the Earth's climate system, it implies that once the upward jump occurs,
it may be very difficult to achieve the reverse jump back to the
original climate state.
Figure <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F1"/>b illustrates the situation of a cusp bifurcation, where
the two saddle-node bifurcations in Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F1"/>a have coalesced, for example, as another parameter of the system is varied.
In this situation a small change in <inline-formula><mml:math id="M6" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:math></inline-formula> will also cause a large change in the system <inline-formula><mml:math id="M7" display="inline"><mml:mi>F</mml:mi></mml:math></inline-formula>,
although it will be smooth and reversible.
In Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F1"/>c, even though the saddle-node bifurcations may
be outside the parameter interval of interest, abrupt large transitions in the system
can result from a small noise- or perturbation-induced change to the system even
when the parameter value remains constant.
It is the presence of saddle-node bifurcations in a mathematical model, even if not occurring
precisely at the system's current parameter value,
that is the root cause of all of the behaviours shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F1"/>.</p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F1" specific-use="star"><?xmltex \currentcnt{1}?><?xmltex \def\figurename{Figure}?><label>Figure 1</label><caption><p id="d1e227"><bold>(a)</bold> Hysteresis arising from two saddle-node bifurcations. <bold>(b)</bold> A cusp bifurcation. <bold>(c)</bold> A bistable system. Solid curves indicate stable states, and dashed curves are unstable states. In panels <bold>(a)</bold> and <bold>(b)</bold> a small change <inline-formula><mml:math id="M8" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the control parameter near the bifurcation value <inline-formula><mml:math id="M9" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">crit</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> causes a large change <inline-formula><mml:math id="M10" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the system. In panel <bold>(a)</bold> the return bifurcation happens at a different value of <inline-formula><mml:math id="M11" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. In panel <bold>(c)</bold> a small perturbation <inline-formula><mml:math id="M12" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the system causes a large change <inline-formula><mml:math id="M13" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></caption>
        <?xmltex \igopts{width=398.338583pt}?><graphic xlink:href="https://npg.copernicus.org/articles/29/219/2022/npg-29-219-2022-f01.png"/>

      </fig>

      <p id="d1e316">For a tipping point to be present, the underlying mathematical model will be characterized by
nonlinearity, generally in the form of a positive feedback that accelerates change once change has begun. For the Arctic, one of the primary positive feedbacks is the surface albedo.
When the Arctic Ocean is frozen, the surface reflects a significant portion
of the insolation back into space, but open water absorbs much more heat from the Sun. Timing of the melt in the spring has significant impact <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx37" id="paren.4"/>.
An earlier melt means considerably more heat is absorbed by open water, raising the water
temperature and delaying freeze-up in the autumn. The freeze-up date for the Beaufort, Chukchi, Laptev, and Kara seas, for example, has been getting later by 6–11 d per decade since 1979 <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx29" id="paren.5"/>. September sea ice extent has been decreasing at an accelerating rate.
The linear trend from 1979 to 2001 is <inline-formula><mml:math id="M14" display="inline"><mml:mo>-</mml:mo></mml:math></inline-formula>7 % per decade, but including data up to 2013, the linear
trend is <inline-formula><mml:math id="M15" display="inline"><mml:mo>-</mml:mo></mml:math></inline-formula>14 % per decade <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx29" id="paren.6"/>.
Thus the observational evidence indicates that the processes behind this phenomenon are
not linear at all but nonlinear.</p>
      <p id="d1e342">Past studies on general circulation models (GCMs) have given mixed results regarding the presence of multiple stable states for ice conditions in the Arctic. Some indicate that there appears to be a continuous transition from perennial ice cover
to annually ice-free that is reversible <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx27 bib1.bibx31 bib1.bibx2" id="paren.7"/>.
Other studies have shown evidence for nonlinear behaviour in sea ice loss, especially in the transition from seasonally ice-free to annually ice-free <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx35 bib1.bibx36 bib1.bibx24" id="paren.8"/>.
On the other hand, smaller conceptual models generally show bistability and
abrupt transitions in sea ice cover <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx30 bib1.bibx21 bib1.bibx9 bib1.bibx5 bib1.bibx1 bib1.bibx20 bib1.bibx10" id="paren.9"/>.
The most common result from all these models seems to be that sea ice will likely transition from
perennial to seasonally ice-free in a continuous, reversible manner, but significant warming beyond
that point will likely cause an abrupt change to annually ice-free <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx4" id="paren.10"/>.
See the introduction in <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx8" id="text.11"/>.
The model we present here is an annually averaged model with no seasonal component.
It is not a model of sea ice in particular but rather a column model of the atmosphere
that incorporates a nonlinear albedo response to surface temperature.
Bistability in our model with both warm and cold solutions corresponds to annually averaged ice-covered or ice-free situations.</p>
      <p id="d1e360">The Arctic climate model presented here is motivated by three observations.
First is the observation that the climate changes taking place on the Earth
today are most dramatic in the high Arctic. Therefore, it is prudent to put
a special focus on understanding Arctic climate change. Second,
irreversible change is inevitably the result of nonlinear geophysical processes.
So, while this model is kept very simple, it does include significant nonlinear
phenomena that can lead to tipping points.
Third, the 3D spherical shell of the atmosphere of the Earth is rotationally symmetric about the polar axis if annually and zonally averaged. Due to the rotation of the Earth,
Hadley, Ferrel and polar cells form in the global circulation. If perfect rotational symmetry is assumed, the polar axis becomes
flow-invariant, and this remains approximately true for the real Earth.
Thus, a 1D model restricted to the polar axis can be expected to give useful information about climate in a neighbourhood of the pole.
The study of a rotationally symmetric spherical shell model by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx17" id="text.12"/>
gives support to this hypothesis.
A vertical column of atmosphere at other points on
Earth would have a horizontal component of velocity, invalidating
the type of analysis used here. Globally averaged climate models
do reduce to one (vertical) dimension, but they give little information
specific to the Arctic.</p>
      <p id="d1e366">The present model builds on the simple energy balance slab model of Dortmans et al. (2019), which was applied to paleoclimate transitions, and the model of Kypke et al. (2020), which was applied to anthropogenic climate change.
The primary improvement of the present model is a more physically accurate
description of the atmosphere.
Instead of using a slab to represent a uniform atmosphere with absorption properties similar to the
real atmosphere, here we use the Schwarzschild two-stream equations to model absorption
in the atmosphere explicitly as a function of altitude <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx23" id="paren.13"><named-content content-type="post">p. 191</named-content></xref>.</p>
      <p id="d1e374">A bifurcation analysis is performed on the model, tracking the steady-state solutions as carbon
dioxide levels increase.
The question of reversibility is a question of whether the current cold state simply warms
but persists.
The disappearance of this cold state through a saddle-node bifurcation would result in an abrupt
change in climate that may be practically irreversible.
The simpler model of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx14" id="text.14"/> showed this
behaviour under certain <inline-formula><mml:math id="M16" display="inline"><mml:mrow class="chem"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">CO</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> representative concentration pathway scenarios.
We seek here to determine whether the present, more accurate model also displays this behaviour.</p>
      <p id="d1e392">Section <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2"/> and Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S1"/> provide a detailed derivation of the model.
The model parameter values and calibration of some of them to empirical data are presented in Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S2"/>.
Although much of the detail is relegated to the Appendices, the authors feel this detail constitutes an essential part of the contribution of the paper, providing clarity, justification of choices, and the information necessary for replication.
Hence we consider them essential reading.
Section <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S3"/>
presents the results, and the conclusions are in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S4"/>.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S2">
  <label>2</label><title>Model</title>
      <p id="d1e413">The model is developed from first principles and has the following features.
<list list-type="bullet"><list-item>
      <p id="d1e418">The atmosphere is a 1D column at the North Pole  with physical properties that vary with altitude, from the surface to the tropopause.</p></list-item><list-item>
      <p id="d1e422">The incoming solar radiation is annually averaged and undergoes reflection
and absorption in the atmosphere as well as at the Earth's surface.</p></list-item><list-item>
      <p id="d1e426">The surface albedo is a nonlinear function of the surface temperature.</p></list-item><list-item>
      <p id="d1e430">A well-mixed surface boundary layer is included.</p></list-item><list-item>
      <p id="d1e434">The Earth emits longwave radiation as a black body.</p></list-item><list-item>
      <p id="d1e438">The atmosphere is considered to be a grey gas.</p></list-item><list-item>
      <p id="d1e442">The Schwarzschild two-stream equations govern the absorption and emission of both
upward- and downward-directed longwave radiation in the atmosphere.</p></list-item><list-item>
      <p id="d1e446">The atmospheric absorption of longwave radiation is due to three factors: water vapour, <inline-formula><mml:math id="M17" display="inline"><mml:mrow class="chem"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">CO</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
concentration, and clouds.</p></list-item><list-item>
      <p id="d1e461">Water vapour concentration is governed by the nonlinear Clausius–Clapeyron equation.</p></list-item><list-item>
      <p id="d1e465">Transfer of latent and sensible heat from the surface to the atmosphere is modelled.</p></list-item><list-item>
      <p id="d1e469">Both ocean and atmospheric meridional heat transports to the Arctic are dictated by empirical values.</p></list-item><list-item>
      <p id="d1e474">In the Arctic, there is a slow downward movement of air in the column
corresponding to the polar circulation cell near the pole <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx17 bib1.bibx15 bib1.bibx18" id="paren.15"/>.
This is achieved via mass transport of
air into the column in its upper portion and out of the column near the bottom.</p></list-item><list-item>
      <p id="d1e481">The radiation absorption coefficients are calibrated by fitting the model to global average data.</p></list-item><list-item>
      <p id="d1e485">The functional forms of the mass transport and atmospheric heat transport are used to calibrate the
model to an empirical Arctic temperature profile.</p></list-item></list></p>
      <p id="d1e488">The annually and zonally averaged Earth atmosphere is rotationally symmetric around the polar axis, which is invariant under the flow.
Therefore, if one considers a column of the atmosphere near the North Pole, it is
reasonably approximated by a 1D model with altitude-varying quantities. This approximation becomes exact in the limit as the diameter of the column shrinks to zero.
Alternatively, one can view the model as a meridional and zonal average over a
cylinder centred at the North Pole.
Further, although the Arctic Ocean is not zonally symmetric, in the above view, the contribution
of ocean heat transport can be reasonably captured as a scalar quantity.
Thus our model is more precisely a model of the North Pole rather than the Arctic.
Nonetheless, we do use some empirical data for the region north of 70<inline-formula><mml:math id="M18" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mo>∘</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> to calibrate the model
for two reasons: (1) data further north are not readily available, and (2) the data we use are not likely to alter too much if they were measured closer to the pole. The values for atmospheric heat transport and ocean heat transport are two that may change
significantly as one moves north from 70<inline-formula><mml:math id="M19" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mo>∘</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>, and we therefore analyse the behaviour of the model over a wide range for these parameter values.</p>
      <p id="d1e509">The model domain is a vertical cylinder of cross-sectional area <inline-formula><mml:math id="M20" display="inline"><mml:mi>A</mml:mi></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M21" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) and circumference <inline-formula><mml:math id="M22" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (m).
The atmosphere is assumed to be uniform in the cross-sectional direction, so that the model's dependent variables can be interpreted as cross-sectional averages that vary with
the 1D vertical coordinate <inline-formula><mml:math id="M23" 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:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where
<inline-formula><mml:math id="M24" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (m) is the height of the tropopause.
This domain is divided into a surface
boundary layer with height <inline-formula><mml:math id="M25" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (m), <inline-formula><mml:math id="M26" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≪</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and the troposphere proper, <inline-formula><mml:math id="M27" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
The model consists of a set of initial value problems (IVPs), with an independent spatial variable <inline-formula><mml:math id="M28" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> on <inline-formula><mml:math id="M29" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which can be solved analytically, and a two-point boundary value problem (BVP) on <inline-formula><mml:math id="M30" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> that depends on the solutions to the IVPs.
The model has equations governing the vertical wind speed, <inline-formula><mml:math id="M31" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M32" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>),
the air density, <inline-formula><mml:math id="M33" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M34" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">kg</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>),
the upward and downward longwave radiation, <inline-formula><mml:math id="M35" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M36" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M37" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>),
the downward shortwave radiation, <inline-formula><mml:math id="M38" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M39" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>),
the latent and sensible heat transport, <inline-formula><mml:math id="M40" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M41" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), and the temperature <inline-formula><mml:math id="M42" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> (K).
Any reflection of shortwave radiation from either the surface or the atmosphere is ignored and
is simply considered to have left the system. The model is depicted in Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F2"/> and is derived and explained in detail in the following subsections.
Many of the details of the model, including its nondimensionalization, the vanishing conduction limit, and modelling choices used for various functional forms, are in Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S1"/>. Calibration of the model parameters to empirical data is described in detail in
Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S2"/>, and the reader is referred to Tables <xref ref-type="table" rid="App1.Ch1.S2.T1"/> and <xref ref-type="table" rid="App1.Ch1.S2.T2"/> of that appendix for the values of the parameters.</p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F2"><?xmltex \currentcnt{2}?><?xmltex \def\figurename{Figure}?><label>Figure 2</label><caption><p id="d1e845">Schematic illustration of the model. Symbols as described in the text.</p></caption>
        <?xmltex \igopts{width=241.848425pt}?><graphic xlink:href="https://npg.copernicus.org/articles/29/219/2022/npg-29-219-2022-f02.png"/>

      </fig>

<sec id="Ch1.S2.SS1">
  <label>2.1</label><title>Mass, momentum, and energy balance</title>
      <p id="d1e861">The model equations in the troposphere are developed from the
fundamental transport theorem in one spatial dimension:
            <disp-formula id="Ch1.E1" content-type="numbered"><label>1</label><mml:math id="M43" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">χ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          where <inline-formula><mml:math id="M44" display="inline"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the density of some “property”, <inline-formula><mml:math id="M45" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the flux of that property,
and <inline-formula><mml:math id="M46" display="inline"><mml:mi>S</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a source/sink term.
The time-derivative term will be taken as zero since only the steady-state solution is considered. The properties subject to this equation are mass, momentum, and energy.
To model the Arctic, the cylinder is centred at the North Pole, and, since the atmospheric polar cell has slow downward movement near the pole, it is assumed that <inline-formula><mml:math id="M47" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
<sec id="Ch1.S2.SS1.SSS1">
  <label>2.1.1</label><title>Mass</title>
      <p id="d1e932">If the property <inline-formula><mml:math id="M48" display="inline"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E1"/>) is the mass density,
<inline-formula><mml:math id="M49" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M50" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">kg</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), then the flux is <inline-formula><mml:math id="M51" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">χ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
There is mass flux across the vertical boundary of the cylinder,
<inline-formula><mml:math id="M52" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M53" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">kg</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), which is assumed to be immediately spread out evenly across
the layer, and hence the mass flux across the vertical boundary in the model is really a mass source term in the interior giving
              <disp-formula id="Ch1.Ex1"><mml:math id="M54" display="block"><mml:mtable rowspacing="4.267913pt" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mtext>mass entering into cylinder layer of width</mml:mtext><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext>volume of layer</mml:mtext></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
            Thus, at steady state the mass balance equation is
              <disp-formula id="Ch1.Ex2"><mml:math id="M55" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</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></disp-formula>
            The mass flux through the vertical boundary into the column is written as
              <disp-formula id="Ch1.Ex3"><mml:math id="M56" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">tot</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            where <inline-formula><mml:math id="M57" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">tot</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M58" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">kg</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>)
is a nonnegative constant
and <inline-formula><mml:math id="M59" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><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:mo>↦</mml:mo><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a
dimensionless function that represents the portion of inward mass flux across the vertical boundary
of the column at the given altitude.
Positive <inline-formula><mml:math id="M60" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:math></inline-formula> indicates inward flow.
The ratio of the cross-sectional area of the column to the area of its side, <inline-formula><mml:math id="M61" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, in the definition of <inline-formula><mml:math id="M62" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is included
as a useful simplifying convenience.
The (positive inward) mass fluxes across the bottom and top boundaries of the column are given by
<inline-formula><mml:math id="M63" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">tot</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M64" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">tot</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, respectively, where
<inline-formula><mml:math id="M65" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M66" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are dimensionless
constants in the interval <inline-formula><mml:math id="M67" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
These quantities must satisfy

                  <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M68" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><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:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><?xmltex \hack{\qquad}?><mml:mtext mathvariant="normal">and</mml:mtext></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E2"><mml:mtd><mml:mtext>2</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml: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 movablelimits="false">max⁡</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo movablelimits="false">max⁡</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo movablelimits="false">max⁡</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

              The first of these conditions dictates that there is no net mass entering the system, and the
second is a normalization condition so that <inline-formula><mml:math id="M69" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">tot</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> represents both the total mass
entering the column per unit cross-sectional area and the magnitude of the total mass leaving the column per unit cross-sectional area. In order to obtain downward vertical flow throughout the cylinder, it shall be assumed that
<inline-formula><mml:math id="M70" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M71" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M72" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the lower part of the cylinder and <inline-formula><mml:math id="M73" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the upper part. With these definitions, the mass balance equation becomes
              <disp-formula id="Ch1.E3" content-type="numbered"><label>3</label><mml:math id="M74" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">tot</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
</sec>
<sec id="Ch1.S2.SS1.SSS2">
  <label>2.1.2</label><title>Momentum</title>
      <p id="d1e1729">Now take the property <inline-formula><mml:math id="M75" display="inline"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E1"/>) to be the momentum density, <inline-formula><mml:math id="M76" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
The vertical flux is <inline-formula><mml:math id="M77" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">χ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and the source term <inline-formula><mml:math id="M78" display="inline"><mml:mi>S</mml:mi></mml:math></inline-formula> has two components,
one due to contact forces (stress) <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx32" id="paren.16"><named-content content-type="post">p. 56</named-content></xref> and one due to internal body forces (gravity):
              <disp-formula id="Ch1.Ex5"><mml:math id="M79" display="block"><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            where <inline-formula><mml:math id="M80" display="inline"><mml:mi>P</mml:mi></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M81" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) is the pressure and <inline-formula><mml:math id="M82" display="inline"><mml:mi>g</mml:mi></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M83" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) is the gravitational acceleration.
It is assumed that mass
entering the cylinder from the vertical boundary has no vertical momentum.
Thus the momentum balance equation at steady state is
              <disp-formula id="Ch1.E4" content-type="numbered"><label>4</label><mml:math id="M84" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            (In the case of no flow (<inline-formula><mml:math id="M85" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), the above would read <inline-formula><mml:math id="M86" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which is the hydrostatic equation.)</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S2.SS1.SSS3">
  <label>2.1.3</label><title>Energy</title>
      <p id="d1e1957">Finally, consider the case where the property in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E1"/>) is the total energy density given by
              <disp-formula id="Ch1.Ex6"><mml:math id="M87" display="block"><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            which corresponds to the sum of kinetic energy, gravitational potential energy, and internal heat energy
densities.
Here, <inline-formula><mml:math id="M88" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M89" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">J</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">kg</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">K</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) is the specific heat capacity of the air.
The flux has two components, one due to advection and one due to conduction:
              <disp-formula id="Ch1.Ex7"><mml:math id="M90" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">χ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            where <inline-formula><mml:math id="M91" display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M92" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">K</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) is the thermal conductivity.
The source/sink <inline-formula><mml:math id="M93" display="inline"><mml:mi>S</mml:mi></mml:math></inline-formula> has eight terms, one due to work done by contact forces,
two due to mass entering or leaving across the vertical boundary
(one of these accounts for gravitational potential energy and
the other internal heat energy; there is no addition to kinetic energy since the mass appearing has
no velocity),
three due to radiation (shortwave downward and longwave upward and downward), one due to latent and sensible heat transport, and one due to atmospheric heat transport.
It is important to distinguish the difference between the mass transport across the
boundary and the atmospheric heat transport.
It is assumed that the mass moving across the
vertical boundary is at the same temperature as the mass inside at each altitude. Since mass
transfer across the vertical boundary is inward in the upper portion, where the temperature is
cooler, and outward in the bottom portion,
mass transport results in a net transport of heat out
through the vertical boundary, but this will be small since the mass flux, <inline-formula><mml:math id="M94" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, is small.
The reason <inline-formula><mml:math id="M95" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is small is that it generates the average slow movement of air downward
near the North Pole (about 1 <inline-formula><mml:math id="M96" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">mm</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), due to the circulation of the polar cell. This slow averaged circulation of air does not account for the atmospheric heat transport.
The main transport of heat in the atmosphere is via turbulent mixing captured in our model by a
source term, <inline-formula><mml:math id="M97" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M98" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), whose functional form is discussed in Sect. <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S1.SS3"/>.
Thus, <inline-formula><mml:math id="M99" display="inline"><mml:mi>S</mml:mi></mml:math></inline-formula> is given by
              <disp-formula id="Ch1.Ex8"><mml:math id="M100" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">tot</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</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:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">tot</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</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:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:msub><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
            The governing equations for the longwave radiation intensities are the two-stream Schwarzschild equations and
for the shortwave radiation a standard absorption equation:

                  <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M101" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E5"><mml:mtd><mml:mtext>5</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mo mathsize="1.1em">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup><mml:mo mathsize="1.1em">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E6"><mml:mtd><mml:mtext>6</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mo mathsize="1.1em">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup><mml:mo mathsize="1.1em">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E7"><mml:mtd><mml:mtext>7</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

              where
<inline-formula><mml:math id="M102" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M103" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">kg</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) is the shortwave absorption coefficient,
<inline-formula><mml:math id="M104" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M105" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">K</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) is the Stefan–Boltzmann constant,
and <inline-formula><mml:math id="M106" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M107" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) is the longwave absorption coefficient with terms corresponding to absorption by clouds, carbon dioxide, and water vapour:

                  <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M108" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Cl</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow class="chem"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">CO</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E8"><mml:mtd><mml:mtext>8</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</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:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">sat</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

              Here, <inline-formula><mml:math id="M109" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Cl</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M110" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), <inline-formula><mml:math id="M111" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M112" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">kg</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), and <inline-formula><mml:math id="M113" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M114" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">kg</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) are absorption coefficients that will be calibrated,
<inline-formula><mml:math id="M115" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:math></inline-formula> (ppm) is the <inline-formula><mml:math id="M116" display="inline"><mml:mrow class="chem"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">CO</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> concentration expressed as the ratio of moles of <inline-formula><mml:math id="M117" display="inline"><mml:mrow class="chem"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">CO</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to moles
of dry air,
<inline-formula><mml:math id="M118" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow class="chem"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">CO</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M119" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M120" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">kg</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">mol</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>)
are the molar masses of <inline-formula><mml:math id="M121" display="inline"><mml:mrow class="chem"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">CO</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and dry air, respectively,
<inline-formula><mml:math id="M122" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
is the relative humidity at altitude <inline-formula><mml:math id="M123" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula>,
and <inline-formula><mml:math id="M124" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">sat</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M125" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) is the saturated water vapour partial pressure at temperature <inline-formula><mml:math id="M126" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>.
The dependence of this last quantity on <inline-formula><mml:math id="M127" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> is given by the Clausius–Clapeyron equation
              <disp-formula id="Ch1.E9" content-type="numbered"><label>9</label><mml:math id="M128" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">sat</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">sat</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            where <inline-formula><mml:math id="M129" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">sat</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the pressure at a reference temperature <inline-formula><mml:math id="M130" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (which we take to be 273.15 K),
<inline-formula><mml:math id="M131" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M132" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) is the latent heat of vaporization for water, and <inline-formula><mml:math id="M133" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M134" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">J</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">K</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">kg</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) is the gas constant for water,
<inline-formula><mml:math id="M135" display="inline"><mml:mi>R</mml:mi></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M136" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">J</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">K</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">mol</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) is the universal gas constant,
and <inline-formula><mml:math id="M137" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M138" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">kg</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">mol</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) is the molar mass of water.
The corresponding density is <inline-formula><mml:math id="M139" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">sat</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">sat</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi></mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by the ideal gas law.
The vertical heat transport (latent and sensible heat) is assumed to be governed by a simple exponential decay:
              <disp-formula id="Ch1.E10" content-type="numbered"><label>10</label><mml:math id="M140" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            where <inline-formula><mml:math id="M141" display="inline"><mml:mi>b</mml:mi></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M142" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) is a suitable decay constant.
Substituting these expressions for the total energy density and its flux and sources into Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E1"/>) and combining the expressions from Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E5"/>) to (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E10"/>), the energy balance equation at steady state for <inline-formula><mml:math id="M143" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is given by
              <disp-formula id="Ch1.E11" content-type="numbered"><label>11</label><mml:math id="M144" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">tot</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:msub><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo mathsize="1.1em">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup><mml:mo mathsize="1.1em">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
            The nonlinear effects of both water vapour and carbon dioxide concentration
on longwave radiation absorption in the atmosphere
are contained within the factor <inline-formula><mml:math id="M145" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, defined by Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E8"/>).
In earlier work <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx7 bib1.bibx14" id="paren.17"/>, these two effects were studied separately before combining them. It was shown there that, if the atmosphere becomes warmer, then the concentration of water
vapour increases due to the Clausius–Clapeyron relation, and this accelerates the greenhouse warming of the atmosphere well beyond that due to carbon dioxide alone.
This is an important positive feedback in the model.</p>
      <p id="d1e3747">In order to complete the system, a constitutive relation between the density <inline-formula><mml:math id="M146" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and the pressure <inline-formula><mml:math id="M147" display="inline"><mml:mi>P</mml:mi></mml:math></inline-formula> is needed, for which we use the ideal gas law,
              <disp-formula id="Ch1.E12" content-type="numbered"><label>12</label><mml:math id="M148" display="block"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            where <inline-formula><mml:math id="M149" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M150" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">J</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">kg</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">K</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) is the gas constant for air.</p>
      <p id="d1e3833">The mass, momentum, and energy balance equations, Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E3"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E4"/>),
and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E11"/>),
along with the Schwarzschild equations (Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E5"/> and <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E6"/>) and the equations governing shortwave absorption (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E7"/>) and sensible and latent heat transport (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E10"/>)
are the differential equations for the BVP for <inline-formula><mml:math id="M151" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
with dependent variables
<inline-formula><mml:math id="M152" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M153" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M154" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M155" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M156" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M157" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M158" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M159" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
Equations (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E8"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E9"/>), and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E12"/>) define certain quantities in these
differential equations in terms of these dependent variables.
The forms of the functions <inline-formula><mml:math id="M160" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</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 id="M161" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are prescribed; the process of choosing these functions
is described in detail in Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S1.SS3.SSS2"/> and <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S1.SS3.SSS3"/>, respectively.
Before discussing the boundary conditions for the BVP, it is necessary to consider the surface boundary layer.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="Ch1.S2.SS2">
  <label>2.2</label><title>Surface boundary layer</title>
      <p id="d1e4010">The model includes a boundary layer extending from <inline-formula><mml:math id="M162" 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> to <inline-formula><mml:math id="M163" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. It is assumed
that this layer is well-mixed so that
temperature <inline-formula><mml:math id="M164" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, density <inline-formula><mml:math id="M165" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and relative humidity <inline-formula><mml:math id="M166" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
in this layer are constant.
The temperature of the surface, <inline-formula><mml:math id="M167" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, can in general be larger or smaller than <inline-formula><mml:math id="M168" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d1e4135">The primary reason for including a boundary layer is a numerical one.
As shown in Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S1.SS2"/>, the model is numerically stiff due to the thermal
conductivity of air being very small.
To remove the stiffness, a limit to vanishing conduction is taken, and this results
in an algebraic expression for the temperature gradient that includes the vertical wind speed as
a factor in the denominator.
As the vertical wind speed must be zero at the Earth's surface, there is a singularity in the
temperature gradient there.
The introduction of the surface boundary layer avoids this singularity.</p>
      <p id="d1e4140">The total mass crossing from the atmosphere into the boundary layer per unit time is
<inline-formula><mml:math id="M169" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">tot</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
This quantity is negative, since <inline-formula><mml:math id="M170" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, indicating flow out of the atmosphere and into the boundary layer.
This mass exits
through the vertical boundary of the layer with an assumed constant mass
flux <inline-formula><mml:math id="M171" display="inline"><mml:mi>K</mml:mi></mml:math></inline-formula>, at each <inline-formula><mml:math id="M172" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and conservation of mass dictates
            <disp-formula id="Ch1.Ex10"><mml:math id="M173" display="block"><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:mi>K</mml:mi><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">tot</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mspace width="2em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>⟹</mml:mo><mml:mspace width="2em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">tot</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          (<inline-formula><mml:math id="M174" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> indicates the flux is outward.)
This exiting mass carries gravitational potential energy.
The change in potential energy in a slab of height <inline-formula><mml:math id="M175" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at height <inline-formula><mml:math id="M176" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> in the boundary layer is <inline-formula><mml:math id="M177" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, so that the total change in potential energy over the boundary layer is
            <disp-formula id="Ch1.E13" content-type="numbered"><label>13</label><mml:math id="M178" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">PE</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">tot</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          Consistent with the modelling assumption that mass flux across the vertical boundary conveys no
momentum or kinetic energy to the system, the loss of mass out of the vertical boundary of the
boundary layer also has no effect on the momentum or kinetic energy.
Further, since the temperature in the boundary
layer, <inline-formula><mml:math id="M179" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, is assumed to be equal to the temperature of the atmosphere at <inline-formula><mml:math id="M180" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, it follows that there
is also no
net energy change in the boundary layer due to advection of internal energy – the internal energy
entering via advection at
the top of the layer is equal to the internal energy leaving the layer through the vertical boundary.</p>
      <p id="d1e4416">Consider now the energy balance at the Earth's surface.
There is energy transport from the surface to the boundary layer in the form of sensible and latent
heat, which is modelled, as per <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx23" id="text.18"><named-content content-type="post">p. 396–398</named-content></xref>, as
            <disp-formula id="Ch1.E14" content-type="numbered"><label>14</label><mml:math id="M181" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">sensible</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">latent</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi></mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{8.8}{8.8}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi></mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo mathsize="1.1em">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">sat</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">sat</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo mathsize="1.1em">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
          where <inline-formula><mml:math id="M182" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a dimensionless drag coefficient, <inline-formula><mml:math id="M183" display="inline"><mml:mi>U</mml:mi></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M184" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) is the horizontal wind speed,
and <inline-formula><mml:math id="M185" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">sat</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is given by Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E9"/>).
Along with this there is energy input to the surface from the Sun, <inline-formula><mml:math id="M186" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, some of which is reflected by the surface albedo, longwave radiation both inward, <inline-formula><mml:math id="M187" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and outward, <inline-formula><mml:math id="M188" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and ocean heat
transport, <inline-formula><mml:math id="M189" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M190" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>).
Therefore, the energy balance at the surface is
            <disp-formula id="Ch1.E15" content-type="numbered"><label>15</label><mml:math id="M191" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          where
            <disp-formula id="Ch1.E16" content-type="numbered"><label>16</label><mml:math id="M192" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>tanh⁡</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          is the surface albedo, here modelled as a sigmoid function increasing from <inline-formula><mml:math id="M193" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at cold
temperatures to <inline-formula><mml:math id="M194" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at warm temperatures, with the midway point being at the reference
temperature <inline-formula><mml:math id="M195" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (freezing point) and with a steepness of transition determined by the
dimensionless constant <inline-formula><mml:math id="M196" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d1e4971">Now consider the energy balance for the combined surface and boundary layer (one could alternatively
consider just the boundary layer without the surface, but the chosen formulation results in
a slightly smaller equation).
Input energy to this combined surface and boundary layer includes ocean heat transport and shortwave and longwave radiation entering at <inline-formula><mml:math id="M197" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Output energy includes upward longwave radiation at
<inline-formula><mml:math id="M198" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the shortwave radiation reflected from the surface,
and the latent and sensible heat <inline-formula><mml:math id="M199" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at <inline-formula><mml:math id="M200" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
Further, there are kinetic
and gravitational potential energy fluxes and heat conduction in/out of the layer through its top at
<inline-formula><mml:math id="M201" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and there is gravitational potential energy loss through the vertical boundary given
by Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E13"/>).
Therefore, the energy density balance for the combined surface and boundary layer is
            <disp-formula id="Ch1.E17" content-type="numbered"><label>17</label><mml:math id="M202" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>g</mml:mi><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">tot</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d1e5258">Since temperature, pressure, and relative humidity are constant in the boundary layer, the radiation
equations may be solved analytically inside the layer in order to relate the radiation
terms at <inline-formula><mml:math id="M203" 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> to those at <inline-formula><mml:math id="M204" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The simple ordinary differential equation (ODE) for <inline-formula><mml:math id="M205" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is also easily solved in the boundary layer. The initial (independent spatial variable <inline-formula><mml:math id="M206" 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>)
condition for the upward longwave radiation, <inline-formula><mml:math id="M207" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, is that it is equal to the black
body radiation of the surface, <inline-formula><mml:math id="M208" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The initial condition for that latent heat,
<inline-formula><mml:math id="M209" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, is given by Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E14"/>). Initial conditions for <inline-formula><mml:math id="M210" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M211" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are not necessary since
only a relation between the values of these functions at <inline-formula><mml:math id="M212" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:math></inline-formula> in terms of their value at
<inline-formula><mml:math id="M213" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is required.
The IVPs for <inline-formula><mml:math id="M214" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M215" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the ODEs for <inline-formula><mml:math id="M216" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M217" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the boundary layer are

                <disp-formula specific-use="align"><mml:math id="M218" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo mathsize="1.1em">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo mathsize="1.1em">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo mathsize="1.1em">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo mathsize="1.1em">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            and their solutions, via standard means, give

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M219" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E18"><mml:mtd><mml:mtext>18</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo mathsize="1.1em">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo mathsize="1.1em">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E19"><mml:mtd><mml:mtext>19</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E20"><mml:mtd><mml:mtext>20</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo mathsize="1.1em">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo mathsize="1.1em">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E21"><mml:mtd><mml:mtext>21</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            Equations (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E18"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E19"/>) provide two boundary conditions for the BVP on the
troposphere.
The energy balance equations (Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E15"/> and
<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E17"/>) along with
Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E16"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E20"/>), and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E21"/>) provide two further boundary conditions.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S2.SS3">
  <label>2.3</label><title>Boundary conditions for the BVP</title>
      <p id="d1e6091">There are eight unknown dependent variables:
<inline-formula><mml:math id="M220" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M221" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M222" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M223" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M224" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M225" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M226" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M227" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>;
in addition, the surface temperature, <inline-formula><mml:math id="M228" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, is an unknown constant
(independent of <inline-formula><mml:math id="M229" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula>) that is determined through Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E14"/>),
while the pressure, <inline-formula><mml:math id="M230" display="inline"><mml:mi>P</mml:mi></mml:math></inline-formula>, can be written in terms of the others via Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E12"/>).
The boundary conditions for the system on the interval <inline-formula><mml:math id="M231" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are
wind speed at <inline-formula><mml:math id="M232" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> given by the requirement that the advected mass <inline-formula><mml:math id="M233" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> equals the mass flux
<inline-formula><mml:math id="M234" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">tot</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
pressure at the surface equal to the standard pressure, <inline-formula><mml:math id="M235" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
upward longwave radiation at <inline-formula><mml:math id="M236" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> given by Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E18"/>), vertical heat
transport at <inline-formula><mml:math id="M237" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> given by Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E19"/>), the energy balance equations (Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E15"/>
and <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E17"/>) with expressions from Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E20"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E21"/>) substituted in,
no downward longwave radiation at <inline-formula><mml:math id="M238" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
shortwave radiation at <inline-formula><mml:math id="M239" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> equal to the insolation, <inline-formula><mml:math id="M240" display="inline"><mml:mi>Q</mml:mi></mml:math></inline-formula>, less what is reflected by the clouds, <inline-formula><mml:math id="M241" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and a local critical point for <inline-formula><mml:math id="M242" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> at <inline-formula><mml:math id="M243" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
which, respectively, correspond to the following equations:

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M244" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E22"><mml:mtd><mml:mtext>22</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">tot</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E23"><mml:mtd><mml:mtext>23</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mo mathsize="1.1em">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup><mml:mo mathsize="1.1em">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E24"><mml:mtd><mml:mtext>24</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E25"><mml:mtd><mml:mtext>25</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo mathsize="1.1em">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup><mml:mo mathsize="1.1em">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E26"><mml:mtd><mml:mtext>26</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E27"><mml:mtd><mml:mtext>27</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>g</mml:mi><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">tot</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E28"><mml:mtd><mml:mtext>28</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E29"><mml:mtd><mml:mtext>29</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E30"><mml:mtd><mml:mtext>30</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            where <inline-formula><mml:math id="M245" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is given by Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E14"/>).
The last three terms of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E27"/>) may be simplified using Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E22"/>) so that they
read
            <disp-formula id="Ch1.Ex23"><mml:math id="M246" display="block"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">tot</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><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:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">tot</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          There are nine boundary conditions, but there are only eight dependent variables for which we have
differential equations. The discrepancy is explained by the presence of <inline-formula><mml:math id="M247" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which is an
additional scalar unknown. The nine boundary conditions determine eight conditions for the
differential equations as well as the value for <inline-formula><mml:math id="M248" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
One way of treating this is
simply to extend the system of differential equations to include the equation
            <disp-formula id="Ch1.E31" content-type="numbered"><label>31</label><mml:math id="M249" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          In addition, as described in Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S1"/>, to avoid numerical stiffness, we take the limit as the heat conduction of air, <inline-formula><mml:math id="M250" display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula>, tends to zero.
This effectively reduces the size of the model by one dimension.</p>
      <p id="d1e7499">The model is nondimensionalized and put in standard form as detailed in
Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S1"/>.
The parameter values and their calibration to empirical data are provided in
Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S2"/>.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="Ch1.S3">
  <label>3</label><title>Results</title>
      <p id="d1e7515">For the Arctic parameter values given in Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S2"/>
and for a given <inline-formula><mml:math id="M251" display="inline"><mml:mrow class="chem"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">CO</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> concentration, <inline-formula><mml:math id="M252" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the model can
be solved numerically.
We used MATLAB's built-in BVP solver “<monospace>bvp5c</monospace>” to solve individual instances of the (nondimensionalized) model and AUTO for continuation calculations. The results of the model for <inline-formula><mml:math id="M253" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">390</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ppm are shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F3"/>.
The altitude dependence of the mass flux <inline-formula><mml:math id="M254" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and the atmospheric meridional heat
transport, <inline-formula><mml:math id="M255" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, were calibrated to an empirical Arctic temperature profile
from <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx6" id="text.19"/> as detailed in Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S2"/>.
From this figure we see that the model fits the temperature profile
very well, with some discrepancy near the surface.
The overall atmospheric heat transport, Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F3"/>c,
indicates that, for our model, the upper half of the troposphere receives the most input of heat, while the bottom fifth actually has a net outward heat transport.
This removal of heat near the bottom is likely the cause of the discrepancy between
our model values and the Cronin and Jansen data.
The negative values of <inline-formula><mml:math id="M256" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> near the surface are due to our modelling choice for <inline-formula><mml:math id="M257" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
It is possible that alternative modelling formulations for <inline-formula><mml:math id="M258" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> could yield
a better fit to the Cronin and Jansen data; however, the forms that we tried (including the ones reported in Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S2"/> and a few others) did not improve upon the one used here.
Nonetheless, given the relative simplicity of our model, we feel the fact that it can fit
the data as well as it does is remarkable.</p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F3"><?xmltex \currentcnt{3}?><?xmltex \def\figurename{Figure}?><label>Figure 3</label><caption><p id="d1e7619">Results of the fully calibrated Arctic model at <inline-formula><mml:math id="M259" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">390</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ppm.
The vertical axis in all the plots is the pressure. <bold>(a)</bold> Energy transport via radiative terms, and latent and sensible heat. <bold>(b)</bold> Temperature of the atmosphere. The red circles are the data from <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx6" id="text.20"/>. The red asterisk is the surface temperature, <inline-formula><mml:math id="M260" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. <bold>(c)</bold> Atmospheric heat transport, <inline-formula><mml:math id="M261" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. <bold>(d)</bold> Vertical wind speed. <bold>(e)</bold> Density.</p></caption>
        <?xmltex \igopts{width=236.157874pt}?><graphic xlink:href="https://npg.copernicus.org/articles/29/219/2022/npg-29-219-2022-f03.png"/>

      </fig>

      <p id="d1e7681">For <inline-formula><mml:math id="M262" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">390</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the surface temperature from the solved model is
<inline-formula><mml:math id="M263" display="inline"><mml:mo>-</mml:mo></mml:math></inline-formula>19.7 <inline-formula><mml:math id="M264" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:msup><mml:mi/><mml:mo>∘</mml:mo></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Starting from this solution, we numerically continued the solution to other values of <inline-formula><mml:math id="M265" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, resulting in the S-shaped curve in Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F4"/>a.
Between approximately <inline-formula><mml:math id="M266" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">464</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M267" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">859</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, there are three solutions. The lower and upper solutions are stable cold and warm solutions, while the middle branch is unstable.
Currently the Arctic is on the cold branch of this curve.
The model predicts that, as <inline-formula><mml:math id="M268" display="inline"><mml:mrow class="chem"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">CO</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> levels rise, the equilibrium surface temperature in the Arctic will increase gradually at first.
However, when <inline-formula><mml:math id="M269" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:math></inline-formula> exceeds 859 ppm, the model displays a saddle-node bifurcation where the
stable cold solution is annihilated together with the unstable solution.
At this point the climate would rapidly approach the warm stable solution
where surface temperatures are significantly higher.
The temperatures on the warm branch may seem unreasonably high.
Although our model includes specific details of some of the natural phenomena governing
the Arctic climate behaviour and is calibrated with real data, it is primarily a qualitative rather than quantitative model. It is the fact that the model predicts the qualitative feature of a saddle-node bifurcation that is
the important result, not the precise temperature of the model's warm solution.
Part of the reason the model has relatively high temperatures
on the warm branch is because it has constant values for <inline-formula><mml:math id="M270" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M271" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">tot</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
It is likely that, should the Arctic's annually averaged temperature rise dramatically, both <inline-formula><mml:math id="M272" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M273" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">tot</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> would be affected in a downward direction, which would reduce
the warm equilibrium temperatures to some degree.
Another important emergent feature of the model is that there is bistability for <inline-formula><mml:math id="M274" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:math></inline-formula> in
the range <inline-formula><mml:math id="M275" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">464</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">859</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
Thus, even though the Arctic may in the future be on the cold branch in this range, it is possible
that a strong enough climate disturbance could push the climate out of the basin of attraction
of the cold solution and into the basin of attraction of the warm solution.
The necessary strength of such a disturbance decreases as one moves closer to the upper end of this range.
Our model does not incorporate the seasonal variation of solar input to the Arctic but rather uses an annually averaged value.
Thus the equilibria in our model are annual averages.
The seasonal variation of insolation would effectively result in oscillations around the annual
average.
These oscillations themselves may make a significant contribution to
the “disturbance” needed to push the system out of the basin of attraction of the cold branch.</p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F4" specific-use="star"><?xmltex \currentcnt{4}?><?xmltex \def\figurename{Figure}?><label>Figure 4</label><caption><p id="d1e7842"><bold>(a)</bold> Model surface temperature as a function of <inline-formula><mml:math id="M276" display="inline"><mml:mrow class="chem"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">CO</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> concentration, <inline-formula><mml:math id="M277" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:math></inline-formula>.
<bold>(b)</bold> <inline-formula><mml:math id="M278" display="inline"><mml:mrow class="chem"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">CO</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> concentration levels for RCPs 2.6, 4.5, 6.0, and 8.5 (left to right).
The dashed lines in panel <bold>(a)</bold> correspond to the <inline-formula><mml:math id="M279" display="inline"><mml:mrow class="chem"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">CO</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> concentration levels for the four
RCPs in the year 2200.
The dashed-dotted line extends from the bifurcation point in panel <bold>(a)</bold> to RCP8.5 in the lower
panel, indicating the bifurcation occurs in approximately the year 2100 for this scenario. The inset shows the predicted surface temperature as a function of the year for the four RCPs.
</p></caption>
        <?xmltex \igopts{width=341.433071pt}?><graphic xlink:href="https://npg.copernicus.org/articles/29/219/2022/npg-29-219-2022-f04.png"/>

      </fig>

      <p id="d1e7903">The International Panel on Climate Change (IPCC) has published various <inline-formula><mml:math id="M280" display="inline"><mml:mrow class="chem"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">CO</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> emission scenarios
for the future based on possible levels of global action to suppress such
emissions <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx11" id="paren.21"><named-content content-type="post">Box TS.6; <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx33" id="altparen.22"/></named-content></xref>.
These scenarios are called Representative Concentration Pathways (RCPs) and are numbered
based on the radiative forcing in the year 2100 due to anthropogenic emissions compared to the year
1750.
The original four published RCPs are RCP2.6, RCP4.5, RCP6.0, and RCP8.5, representing strong mitigation
(2.6) through “ignore the problem” (8.5) responses by world governments.
Each RCP indicates likely <inline-formula><mml:math id="M281" display="inline"><mml:mrow class="chem"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">CO</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> concentration levels in the atmosphere out to the year 2100.
From 2100 to 2200, the scenarios assume a “constant composition commitment”, which essentially freezes emission levels and eventually leads to a constant <inline-formula><mml:math id="M282" display="inline"><mml:mrow class="chem"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">CO</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> level in the atmosphere for
all but RCP8.5.
These RCPs are plotted in Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F4"/>b. The <inline-formula><mml:math id="M283" display="inline"><mml:mrow class="chem"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">CO</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> levels for the four different pathways at the year 2200 are continued as
dashed lines into Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F4"/>a. It is clear from the figure that RCP8.5 leads to <inline-formula><mml:math id="M284" display="inline"><mml:mrow class="chem"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">CO</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> concentrations
that far surpass the saddle-node bifurcation, whereas the other three RCPs do not.
This result is in agreement with our simpler model <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx14" id="paren.23"/>.
Both RCP6.0 and RCP4.5 end at levels within the bistable range, and indeed all the RCPs except RCP2.6 are within that range from about the year 2050 onward.
The black dashed-dotted line extending from the bifurcation in the upper panel to
RCP8.5 in the lower panel illustrates that RCP8.5 reaches the bifurcation near the year 2092.</p>
      <p id="d1e7976">The curve of equilibria in Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F4"/>a displays hysteresis: <inline-formula><mml:math id="M285" display="inline"><mml:mrow class="chem"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">CO</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> levels rising past 859 ppm will cause a jump from the cold equilibrium state to the
warm state, but a
return to the cold state will not happen until <inline-formula><mml:math id="M286" display="inline"><mml:mrow class="chem"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">CO</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> levels are brought below 464 ppm, where the
saddle-node bifurcation of the warm equilibrium is located (left bend of the S curve). If <inline-formula><mml:math id="M287" display="inline"><mml:mrow class="chem"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">CO</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> levels follow a trajectory similar to RCP8.5, Arctic climate may change drastically
in less than 100 years, but a return to the current cold state may be essentially impossible for thousands of
years afterward, assuming humankind can develop and implement the required technology to
reduce atmospheric carbon levels sufficiently.</p>
      <p id="d1e8014">Total atmospheric heat transport, <inline-formula><mml:math id="M288" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">tot</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and ocean heat transport, <inline-formula><mml:math id="M289" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
are inputs to the model that are empirically based and that are not altered by the state of the model itself.
We investigated the persistence of the saddle-node bifurcation and hysteresis in the presence
of the uncertainty of these two values.
Figure <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F5"/> shows two 2D bifurcation diagrams plotting the locations of the saddle-node bifurcations in the model (the left and right bends
of the S curve in Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F4"/>). Figure <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F5"/>a shows the bifurcations as both <inline-formula><mml:math id="M290" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">tot</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M291" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:math></inline-formula> vary. Figure <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F5"/>b shows a similar diagram where <inline-formula><mml:math id="M292" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> replaces <inline-formula><mml:math id="M293" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">tot</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
The right curve in each of the panels is a curve of saddle-node bifurcations corresponding to the right bend
in the S curve in Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F4"/>; they are transitions from a cold state to a warm state. Similarly, the left curve in each of the panels is a curve of saddle-node bifurcations that
correspond to the left bend in the S curve and are the transitions from a warm state to a cold state. The shaded area between the two curves is the region of bistability.
The curves meet in a cusp bifurcation, but it is important to note that this only occurs
when <inline-formula><mml:math id="M294" display="inline"><mml:mrow class="chem"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">CO</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> levels are mathematically negative.
Thus the two saddle-node bifurcations and the hysteresis phenomenon
will be present for all physically possible <inline-formula><mml:math id="M295" display="inline"><mml:mrow class="chem"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">CO</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> levels and for all reasonable values of <inline-formula><mml:math id="M296" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">tot</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M297" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
These bifurcation curves also make it evident that a transition from a cold state to a warm state occurs if either <inline-formula><mml:math id="M298" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">tot</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> or <inline-formula><mml:math id="M299" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are increased, even if <inline-formula><mml:math id="M300" display="inline"><mml:mrow class="chem"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">CO</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> levels are constant. If <inline-formula><mml:math id="M301" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">tot</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M302" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> increase along with carbon dioxide levels in the near future,
which seems reasonably likely,
then the saddle-node bifurcation will occur at lower levels of <inline-formula><mml:math id="M303" display="inline"><mml:mrow class="chem"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">CO</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
For example, a 10 % increase in <inline-formula><mml:math id="M304" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">tot</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to 110 <inline-formula><mml:math id="M305" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from 100 would cause the saddle-node bifurcation to occur at about <inline-formula><mml:math id="M306" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">754</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ppm, which would mean
that both RCP8.5 and RCP6.0 would pass through the saddle-node bifurcation.</p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F5"><?xmltex \currentcnt{5}?><?xmltex \def\figurename{Figure}?><label>Figure 5</label><caption><p id="d1e8259"><bold>(a)</bold> Bifurcation diagram showing locations of saddle-node bifurcations as <inline-formula><mml:math id="M307" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">tot</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M308" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:math></inline-formula> are varied.
The dashed line indicates the value of <inline-formula><mml:math id="M309" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">tot</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> used in the model.
The shaded area between the curves is the region of bistability.
Abrupt transition from a cold state to a warm state occurs on the right curve, while
abrupt transition from a warm state to a cold state occurs on the left curve. <bold>(b)</bold> Same except <inline-formula><mml:math id="M310" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the varying parameter on the vertical axis rather than
<inline-formula><mml:math id="M311" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">tot</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></caption>
        <?xmltex \igopts{width=184.942913pt}?><graphic xlink:href="https://npg.copernicus.org/articles/29/219/2022/npg-29-219-2022-f05.png"/>

      </fig>

</sec>
<sec id="Ch1.S4" sec-type="conclusions">
  <label>4</label><title>Conclusions</title>
      <p id="d1e8340">Although the model presented here is clearly a simplification of the climate,
made possible by the near invariance of the vertical flow on the polar axis,
we believe it captures some of the most important aspects relevant for Arctic climate change.
The model predicts that if humanity keeps carbon emission levels close to RCP6.0 or lower,
then the Arctic will not likely undergo a sudden dramatic rise in annual average temperature.
However, if carbon emissions are much worse than RCP6.0, such a change is likely, and the cause is
a saddle-node bifurcation of the stable cold equilibrium.
Such a change would clearly have catastrophic effects on the Arctic environment, leading to massive global effects.
These results are in agreement with those of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx3" id="text.24"/>, who, from a study of various CMIP6 models of Arctic climate, predict that under a low emissions scenario
sea ice loss will be seasonal but that for a high emissions scenario it will be year-round for all areas of the Arctic. Further, the hysteresis displayed by the model indicates that a change of this nature may be practically irreversible.
Although some comfort may be taken that only the worst of the four carbon pathway scenarios
ends in such a catastrophic change, the model shows that both RCP6.0 and RCP4.5
lie in the region of bistability from the year 2070 onward.
In a bistable situation, external disturbances could cause the system to jump into the basin of
attraction of the warm equilibrium, effectively bringing about the catastrophic change prior
to the bifurcation.
The model is too simple to allow for any reasonable measure of the likelihood of such an occurrence,
but the important thing is that the model exhibits bistability in the parameter region where
the system is likely to reside within 50 years' time. This bistability has been shown to persist regardless of the values of the two biggest uncertainties
in the model, the atmospheric and ocean heat transport to the Arctic from the mid-latitudes.</p>
      <p id="d1e8346">Our model addresses the equilibrium state only and represents the Arctic temperature
as an annual average.
The real Arctic climate undergoes massive seasonal changes, which effectively means that the
system is actually oscillating around the equilibrium temperatures of our model.
Such temperature oscillations may be sufficient to effectively push a system located on a
cold solution in the bistable regime to “above” the unstable solution and so into the basin
of attraction of the warm solution.</p>
      <p id="d1e8349">Seasonal variations in Arctic temperatures and sea ice are studied in many works, including <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx9" id="text.25"/>, who argue that a tipping point to a year-round ice-free Arctic is not
likely to occur while the Arctic is ice-covered for a significant portion of the year, but
once the Arctic is seasonally ice-free for a sufficient number of months in a year,
such a tipping point becomes more likely.
A possible enhancement to our model would be to include seasonal solar variation and
an ice model as in <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx9" id="text.26"/>.</p>
</sec>

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

<app id="App1.Ch1.S1">
  <?xmltex \currentcnt{A}?><label>Appendix A</label><title>Model derivation details</title>
      <p id="d1e8369">This Appendix provides details regarding the model. The model is written in a nondimensional form in Sect. <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S1.SS1"/>, defining
nondimensional variables and parameters.
This system is then transformed in Sect. <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S1.SS2"/> to a standard form
of nine first-order ordinary differential equations and corresponding boundary conditions. This standard form makes it evident that the system is numerically stiff due to the fact that
the thermal conductivity, <inline-formula><mml:math id="M312" display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula>, of air is very small.
To remove this stiffness, the limit as <inline-formula><mml:math id="M313" 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> is applied, which reduces the system
by one dimension.
Section <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S1.SS3"/> discusses our choice of the functional forms
for the dependence of relative humidity <inline-formula><mml:math id="M314" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, atmospheric meridional heat transport <inline-formula><mml:math id="M315" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
and mass flux <inline-formula><mml:math id="M316" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> on altitude.</p>
<sec id="App1.Ch1.S1.SS1">
  <label>A1</label><title>Nondimensionalization</title>
      <p id="d1e8453">Define the nondimensional variables

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M317" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E32"><mml:mtd><mml:mtext>A1</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">8</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">9</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            where <inline-formula><mml:math id="M318" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M319" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) is the standard atmospheric pressure,
<inline-formula><mml:math id="M320" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the freezing point of water in Kelvin,
<inline-formula><mml:math id="M321" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the density at standard pressure and freezing temperature,
and <inline-formula><mml:math id="M322" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> represents the vertical velocity required to move a parcel of air
with standard density at freezing temperature so that the power transferred is equal to the radiative
power for a black body at the same temperature. This comes to about 1 <inline-formula><mml:math id="M323" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">mm</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d1e8941"><?xmltex \hack{\newpage}?>Applying the change in variables to the troposphere BVP, Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E3"/>)–(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E7"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E10"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E11"/>), and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E31"/>), we get

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M324" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E33"><mml:mtd><mml:mtext>A2</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E34"><mml:mtd><mml:mtext>A3</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi>H</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="1.1em">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo mathsize="1.1em">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E35"><mml:mtd><mml:mtext>A4</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo mathsize="1.1em">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo mathsize="1.1em">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E36"><mml:mtd><mml:mtext>A5</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo mathsize="1.1em">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo mathsize="1.1em">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E37"><mml:mtd><mml:mtext>A6</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E38"><mml:mtd><mml:mtext>A7</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E39"><mml:mtd><mml:mtext>A8</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">8</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">8</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>H</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo mathsize="1.1em">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo mathsize="1.1em">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E40"><mml:mtd><mml:mtext>A9</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E41"><mml:mtd><mml:mtext>A10</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">9</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            for <inline-formula><mml:math id="M325" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><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>.
The boundary conditions, Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E22"/>)–(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E30"/>), become

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M326" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E42"><mml:mtd><mml:mtext>A11</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi>D</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E43"><mml:mtd><mml:mtext>A12</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mo mathsize="1.1em">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">9</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup><mml:mo mathsize="1.1em">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E44"><mml:mtd><mml:mtext>A13</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E45"><mml:mtd><mml:mtext>A14</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">9</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">9</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo mathsize="1.1em">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup><mml:mo mathsize="1.1em">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">9</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E46"><mml:mtd><mml:mtext>A15</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">9</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">9</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">8</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E47"><mml:mtd><mml:mtext>A16</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><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:mi>H</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E48"><mml:mtd><mml:mtext>A17</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E49"><mml:mtd><mml:mtext>A18</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E50"><mml:mtd><mml:mtext>A19</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">8</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            <?xmltex \hack{\newpage}?><?xmltex \hack{\noindent}?>where

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M327" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">9</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">9</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="2.5em">[</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">9</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E51"><mml:mtd><mml:mtext>A20</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo mathsize="2.5em">]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Cl</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E52"><mml:mtd><mml:mtext>A21</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>+</mml:mo><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E53"><mml:mtd><mml:mtext>A22</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">9</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="2.5em">[</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E54"><mml:mtd><mml:mtext>A23</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>tanh⁡</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">9</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mo mathsize="2.5em">]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            are nondimensionalized functions describing the sensible/latent heat flux from the surface,
the absorption of longwave radiation due to greenhouse gases, the atmospheric heat transport, and the surface albedo, and
<inline-formula><mml:math id="M328" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M329" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M330" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M331" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M332" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi></mml:msub><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">sat</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi></mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">tot</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Cl</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Cl</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow class="chem"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">CO</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">sat</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E55"><mml:mtd><mml:mtext>A24</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            are nondimensional constants.
Values of the physical parameters are given in the tables in Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S2"/>.
It turns out that all of the above nondimensional constants are close to order 1 (range 0.04 to 26) except <inline-formula><mml:math id="M333" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5.6</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which is the relative boundary layer thickness,
<inline-formula><mml:math id="M334" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2.35</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which is the nondimensional conductance,
and <inline-formula><mml:math id="M335" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">7.96</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which is a factor in the kinetic energy term. As shown in the next section, the fact that <inline-formula><mml:math id="M336" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is small causes system stiffness.</p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S1.SS2">
  <label>A2</label><title>Standard form and vanishing conduction limit</title>
      <p id="d1e11987">The BVP given by Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E33"/>)–(<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E50"/>) contains derivatives of products
of some of the variables.
It can be put in standard ODE form via algebraic manipulations.
First we expand the derivative on the left-hand side of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E34"/>) and use Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E33"/>) to
simplify it:

                <disp-formula specific-use="align"><mml:math id="M337" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="1.1em">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo mathsize="1.1em">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            Thus, Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E34"/>) may be replaced with
            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E56" content-type="numbered"><label>A25</label><mml:math id="M338" display="block"><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">8</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          where we have used Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E39"/>) to replace the derivative of <inline-formula><mml:math id="M339" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
We can also expand the derivative in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E33"/>) to get the equivalent equation
            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E57" content-type="numbered"><label>A26</label><mml:math id="M340" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          Equations (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E56"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E57"/>) are a linear system
in <inline-formula><mml:math id="M341" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M342" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, namely
            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.Ex27"><mml:math id="M343" display="block"><mml:mrow><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="matrix" columnalign="center center" framespacing="0em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="matrix" columnalign="center" framespacing="0em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="matrix" columnalign="center" framespacing="0em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">8</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          Solving this yields

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M344" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E58"><mml:mtd><mml:mtext>A27</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo mathsize="1.1em">(</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo mathsize="1.1em">)</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">8</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo mathsize="1.1em">(</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo mathsize="1.1em">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E59"><mml:mtd><mml:mtext>A28</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">8</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d1e12806">Now expanding the derivatives on the right-hand side of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E38"/>) and simplifying, we obtain

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M345" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">8</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>H</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><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:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">8</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">8</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo mathsize="1.1em">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo mathsize="1.1em">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E60"><mml:mtd><mml:mtext>A29</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d1e13142"><?xmltex \hack{\newpage}?>In summary, the BVP for the troposphere in standard form is given by

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M346" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E61"><mml:mtd><mml:mtext>A30</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo mathsize="1.1em">(</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo mathsize="1.1em">)</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">8</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo mathsize="1.1em">(</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo mathsize="1.1em">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E62"><mml:mtd><mml:mtext>A31</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">8</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E63"><mml:mtd><mml:mtext>A32</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo mathsize="1.1em">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo mathsize="1.1em">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E64"><mml:mtd><mml:mtext>A33</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo mathsize="1.1em">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo mathsize="1.1em">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E65"><mml:mtd><mml:mtext>A34</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E66"><mml:mtd><mml:mtext>A35</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E67"><mml:mtd><mml:mtext>A36</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">8</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">8</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>H</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><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:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">8</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">8</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo mathsize="1.1em">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo mathsize="1.1em">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E68"><mml:mtd><mml:mtext>A37</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E69"><mml:mtd><mml:mtext>A38</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">9</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            with boundary conditions

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M347" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E70"><mml:mtd><mml:mtext>A39</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>D</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E71"><mml:mtd><mml:mtext>A40</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mo mathsize="1.1em">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">9</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup><mml:mo mathsize="1.1em">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E72"><mml:mtd><mml:mtext>A41</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E73"><mml:mtd><mml:mtext>A42</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">9</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">9</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo mathsize="1.1em">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup><mml:mo mathsize="1.1em">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">9</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E74"><mml:mtd><mml:mtext>A43</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">9</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">9</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">8</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E75"><mml:mtd><mml:mtext>A44</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><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:mi>H</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E76"><mml:mtd><mml:mtext>A45</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E77"><mml:mtd><mml:mtext>A46</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E78"><mml:mtd><mml:mtext>A47</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">8</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d1e14868">As mentioned above, of the nondimensional constants, all are close to order 1 except <inline-formula><mml:math id="M348" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5.6</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M349" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">7.96</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M350" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2.3</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
(with <inline-formula><mml:math id="M351" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">9000</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>).
The constant <inline-formula><mml:math id="M352" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi></mml:math></inline-formula> only appears in the boundary conditions.
The constant <inline-formula><mml:math id="M353" display="inline"><mml:mi>H</mml:mi></mml:math></inline-formula> occurs in the system only in summations with other non-derivative terms; hence the fact that it is small only means that those terms contribute little. It does not cause
stiffness.
The relatively small value of the constant <inline-formula><mml:math id="M354" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, however, does cause stiffness in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E68"/>) of the system.
Because <inline-formula><mml:math id="M355" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is small, the variable <inline-formula><mml:math id="M356" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">8</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
which is the dimensionless rate of vertical temperature change <inline-formula><mml:math id="M357" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
will approach the
<inline-formula><mml:math id="M358" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">8</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>-nullcline very rapidly (which means at a very short <inline-formula><mml:math id="M359" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> distance from either boundary). To simplify numerical computation, we take the limit as <inline-formula><mml:math id="M360" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:math></inline-formula> goes to zero, which is equivalent to saying that conduction is negligible.
In this limit, Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E68"/>) is an algebraic expression from which we can isolate <inline-formula><mml:math id="M361" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">8</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>:

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M362" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">8</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfenced open="[" close=""><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>H</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>J</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo mathsize="1.1em">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo mathsize="1.1em">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E79"><mml:mtd><mml:mtext>A48</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfenced open="" close="]"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><?xmltex \hack{\protect\vphantom{\frac{J^2 y_7^2+H^2 y_1^4}{Jy_7-Hy_1^2}}}?></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msup><mml:mfenced close="]" open="["><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:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            With this expression for <inline-formula><mml:math id="M363" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">8</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the system is reduced by eliminating Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E68"/>) and boundary condition Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E78"/>).
Since <inline-formula><mml:math id="M364" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the dimensionless vertical velocity, is a factor in the
denominator, it is necessary that <inline-formula><mml:math id="M365" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be nonzero throughout the atmosphere in order not to introduce a singularity. For this reason we select <inline-formula><mml:math id="M366" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
<inline-formula><mml:math id="M367" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M368" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:math></inline-formula> such that it is nonnegative in the upper atmosphere and non-positive in the lower atmosphere.</p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S1.SS3">
  <label>A3</label><title>Modelling choices for functional forms</title>
      <p id="d1e15482">In this section we describe the various functional forms that we used for relative humidity,
atmospheric heat transport, and mass flux. For the latter two, several different forms were tried, and these are detailed below.
Calibration to empirical data, described in Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S2"/>, was used
to select specific functional forms for the heat transport and mass flux.</p>
<sec id="App1.Ch1.S1.SS3.SSS1">
  <label>A3.1</label><title>Relative humidity</title>
      <p id="d1e15494">The relative humidity is modelled as a linear function decreasing with altitude from a higher surface value,
<inline-formula><mml:math id="M369" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, to a lower value at the tropopause, <inline-formula><mml:math id="M370" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Specifically,
              <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E80" content-type="numbered"><label>A49</label><mml:math id="M371" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S1.SS3.SSS2">
  <label>A3.2</label><title>Atmospheric heat transport</title>
      <p id="d1e15578">Atmospheric heat transport is primarily
due to large-scale turbulent mixing of the column with its environment. This mixing is not modelled explicitly, but, instead, it is incorporated into the model via
the function <inline-formula><mml:math id="M372" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
which represents the thermal energy supplied to the column by turbulent mixing.
The integral of <inline-formula><mml:math id="M373" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> over the atmosphere thickness represents the total
atmospheric heat transport in/out of the system. So, given a set amount of such energy, <inline-formula><mml:math id="M374" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">tot</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we have
              <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E81" content-type="numbered"><label>A50</label><mml:math id="M375" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">tot</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msubsup><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:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            This provides one restriction on the function <inline-formula><mml:math id="M376" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, but its precise form is a modelling choice.
However, the exact form must be chosen with care, because with certain choices of <inline-formula><mml:math id="M377" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the boundary
conditions can only be satisfied with unrealistic solutions.
In particular, if the values of <inline-formula><mml:math id="M378" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> near the tropopause (<inline-formula><mml:math id="M379" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> near <inline-formula><mml:math id="M380" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, that is, <inline-formula><mml:math id="M381" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> near 1) are too small, then the temperature drops precipitously toward absolute zero;
if they are too big, the temperature turns around and climbs rapidly.
Thus, in order to automate an appropriate choice of <inline-formula><mml:math id="M382" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we have proceeded as follows.
<list list-type="order"><list-item>
      <p id="d1e15818">Choose <inline-formula><mml:math id="M383" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> such that the temperature gradient at the tropopause is zero, that is,
re-impose boundary condition Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E78"/>).
Thus use Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E79"/>) with <inline-formula><mml:math id="M384" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">8</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to solve for <inline-formula><mml:math id="M385" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Let <inline-formula><mml:math id="M386" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denote this value of <inline-formula><mml:math id="M387" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and let <inline-formula><mml:math id="M388" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denote the corresponding
dimensional value of <inline-formula><mml:math id="M389" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, that is, <inline-formula><mml:math id="M390" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></list-item><list-item>
      <p id="d1e16013">Assume that <inline-formula><mml:math id="M391" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is of the form<disp-formula id="App1.Ch1.S1.E82" content-type="numbered"><label>A51</label><mml:math id="M392" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</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>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Ab</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">tot</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where the base function <inline-formula><mml:math id="M393" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Ab</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a linear function passing through zero at the midpoint of the
atmosphere and equal to <inline-formula><mml:math id="M394" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at <inline-formula><mml:math id="M395" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, that is,<disp-formula id="App1.Ch1.S1.Ex41"><mml:math id="M396" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Ab</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>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>⟺</mml:mo><?xmltex \hack{\hspace*{5mm}}?><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">Ab</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>This base portion of <inline-formula><mml:math id="M397" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> contributes no net heat to the column; it is simply a factor that essentially moves heat around in the column in order to ensure the temperature gradient at the
top is zero.</p>
      <p id="d1e16299">The remaining portion of <inline-formula><mml:math id="M398" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the actual atmospheric heat transport entering the column from
outside. We assume that <inline-formula><mml:math id="M399" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> satisfies<disp-formula id="App1.Ch1.S1.Ex42"><mml:math id="M400" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mspace linebreak="nobreak" width="2em"/><mml:mtext>and</mml:mtext><mml:mspace width="2em" linebreak="nobreak"/><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:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>so that the value of <inline-formula><mml:math id="M401" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is not altered at the tropopause and so that <inline-formula><mml:math id="M402" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">tot</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M403" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) represents the total energy flux of atmospheric heat transport entering the column.
Thus, the nondimensional function is<disp-formula id="App1.Ch1.S1.Ex43"><mml:math id="M404" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">tot</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where<disp-formula id="App1.Ch1.S1.Ex44"><mml:math id="M405" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">tot</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">tot</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p></list-item><list-item>
      <p id="d1e16538">As a numerical issue, since the boundary condition value <inline-formula><mml:math id="M406" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is needed in the
computation of the vector field and since the MATLAB solver we are using does not have a way of making boundary condition information available to the vector field computation function,
we circumvented this issue by adding another variable to the problem
<inline-formula><mml:math id="M407" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, with differential equation <inline-formula><mml:math id="M408" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and boundary
condition <inline-formula><mml:math id="M409" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></list-item><list-item>
      <p id="d1e16626">The choice of the functional form of <inline-formula><mml:math id="M410" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is somewhat open, and we tested the following two forms:<disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M411" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E83"><mml:mtd><mml:mtext>A52</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E84"><mml:mtd><mml:mtext>A53</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where the functions <inline-formula><mml:math id="M412" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M413" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are defined as<disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M414" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E85"><mml:mtd><mml:mtext>A54</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>and where <inline-formula><mml:math id="M415" display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a parameter in <inline-formula><mml:math id="M416" display="inline"><mml:mrow><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> free to be chosen. (The functions <inline-formula><mml:math id="M417" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M418" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> will also be
utilized in the modelling of <inline-formula><mml:math id="M419" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.)
The primary difference between these two forms is that the first has a non-zero slope at
<inline-formula><mml:math id="M420" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, while the latter has a zero slope there.</p></list-item></list></p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S1.SS3.SSS3">
  <label>A3.3</label><title>Mass flux</title>
      <p id="d1e17002">The function <inline-formula><mml:math id="M421" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:math></inline-formula> dictates the mass flux across the vertical boundary (negative outward), and,
along with the fluxes
<inline-formula><mml:math id="M422" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M423" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> across the bottom and top of the column, drives the vertical air movement in
the column.
The only general restrictions on these fluxes are given by Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E2"/>).
To model the situation in the Arctic, we want a downward flow of air with a vertical
wind speed, <inline-formula><mml:math id="M424" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula>, of the order of 1 <inline-formula><mml:math id="M425" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">mm</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the column. A reasonable assumption at the tropopause would be to set <inline-formula><mml:math id="M426" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>; however,
since our model has a singularity
when <inline-formula><mml:math id="M427" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we impose a small wind speed at the tropopause by ensuring <inline-formula><mml:math id="M428" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is positive.
At the surface boundary layer we impose <inline-formula><mml:math id="M429" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
Further, to simplify matters and to ensure a downward flow throughout the column, we assume that

                  <disp-formula specific-use="align"><mml:math id="M430" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mtext>if</mml:mtext><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mtext>if</mml:mtext><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

              where <inline-formula><mml:math id="M431" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is some point in <inline-formula><mml:math id="M432" display="inline"><mml:mrow><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>. The following forms were tested for <inline-formula><mml:math id="M433" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>:<?xmltex \hack{\newline}?><?xmltex \hack{\newline}?><?xmltex \hack{\noindent}?>piecewise constant,
              <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E86" content-type="numbered"><label>A55</label><mml:math id="M434" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="{" close=""><mml:mtable columnspacing="1em" rowspacing="4.267913pt" class="cases" columnalign="left left" framespacing="0em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>if</mml:mtext><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>if</mml:mtext><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d1e17398"><?xmltex \hack{\noindent}?>piecewise linear,
              <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E87" content-type="numbered"><label>A56</label><mml:math id="M435" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="{" close=""><mml:mtable class="cases" rowspacing="4.267913pt" columnspacing="1em" columnalign="left left" framespacing="0em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>if</mml:mtext><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mstyle><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>if</mml:mtext><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d1e17581"><?xmltex \hack{\noindent}?>piecewise sine,
              <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E88" content-type="numbered"><label>A57</label><mml:math id="M436" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="{" close=""><mml:mtable columnspacing="1em" class="cases" rowspacing="4.267913pt" columnalign="left left" framespacing="0em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>if</mml:mtext><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>if</mml:mtext><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d1e17791"><?xmltex \hack{\noindent}?>piecewise cosine,
              <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E89" content-type="numbered"><label>A58</label><mml:math id="M437" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="{" close=""><mml:mtable rowspacing="4.267913pt" class="cases" columnspacing="1em" columnalign="left left" framespacing="0em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>if</mml:mtext><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>if</mml:mtext><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            where <inline-formula><mml:math id="M438" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M439" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are defined by Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E85"/>).
(In the case that <inline-formula><mml:math id="M440" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> or <inline-formula><mml:math id="M441" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, it is understood that only the non-empty interval for <inline-formula><mml:math id="M442" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:math></inline-formula>
in the above definitions is used and that it is closed at both ends.)</p>
</sec>
</sec>
</app>

<app id="App1.Ch1.S2">
  <?xmltex \currentcnt{B}?><label>Appendix B</label><title>Model parameters and calibration</title>
      <p id="d1e18074">This Appendix lists the parameter values used in the model and discusses how some of them were calibrated to empirical data.
Section <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S2.SS2"/> gives the calculation of the average annual insolation for
the Earth north of 70<inline-formula><mml:math id="M443" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mo>∘</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> N.</p>
<sec id="App1.Ch1.S2.SS1">
  <label>B1</label><title>Parameter values and calibration</title>
      <p id="d1e18095">Values of the model parameters are given in
Tables <xref ref-type="table" rid="App1.Ch1.S2.T1"/> and <xref ref-type="table" rid="App1.Ch1.S2.T2"/>.
The parameters in Table <xref ref-type="table" rid="App1.Ch1.S2.T1"/> are physical constants.
The parameters in Table <xref ref-type="table" rid="App1.Ch1.S2.T2"/> are those that have been assigned from empirical data and
knowledge or whose values have resulted from fitting the model to empirical data. The model was applied to the globally averaged situation for the purposes of calibration of some
parameters (see below) and then also applied to the Arctic.</p>

<?xmltex \floatpos{t}?><table-wrap id="App1.Ch1.S2.T1" specific-use="star"><?xmltex \currentcnt{B1}?><label>Table B1</label><caption><p id="d1e18109">Physical constants used in the model.</p></caption><oasis:table frame="topbot"><oasis:tgroup cols="4">
     <oasis:colspec colnum="1" colname="col1" align="left"/>
     <oasis:colspec colnum="2" colname="col2" align="left"/>
     <oasis:colspec colnum="3" colname="col3" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="4" colname="col4" align="left"/>
     <oasis:thead>
       <oasis:row rowsep="1">
         <oasis:entry colname="col1">Parameter</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">Symbol</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">Value</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">Unit</oasis:entry>
       </oasis:row>
     </oasis:thead>
     <oasis:tbody>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Reference temperature</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M444" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">273.15</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">K</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Stefan–Boltzmann constant</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M445" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math id="M446" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">5.67037</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">8</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M447" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">K</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Latent heat of vaporization for water</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M448" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math id="M449" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2.2558</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M450" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Specific heat capacity of dry air at <inline-formula><mml:math id="M451" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M452" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">716.4</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M453" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">J</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">K</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">kg</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Saturated vapour density at <inline-formula><mml:math id="M454" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M455" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">sat</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math id="M456" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4.849</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M457" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">kg</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Universal gas constant</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M458" display="inline"><mml:mi>R</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">8.31446</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M459" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">J</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">mol</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">K</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Molecular weight of <inline-formula><mml:math id="M460" display="inline"><mml:mrow class="chem"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">CO</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M461" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow class="chem"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">CO</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math id="M462" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4.4009</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M463" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">kg</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">mol</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Molecular weight of dry air</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M464" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math id="M465" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2.89644</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M466" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">kg</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">mol</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Molecular weight of water</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M467" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math id="M468" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1.80153</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M469" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">kg</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">mol</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Gas constant for air</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M470" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">287.058</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M471" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">K</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Specific gas constant of water vapour</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M472" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">461.4</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M473" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">K</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Pressure at the surface</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M474" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">101 325</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">Pa</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Standard dry density at <inline-formula><mml:math id="M475" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M476" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">1.29225</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M477" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">kg</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Conductivity of air</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M478" display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math id="M479" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">24.35</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M480" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">K</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Gravitational acceleration</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M481" display="inline"><mml:mi>g</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">9.8</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M482" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
       </oasis:row>
     </oasis:tbody>
   </oasis:tgroup></oasis:table></table-wrap>

<table-wrap id="App1.Ch1.S2.T2" specific-use="star"><?xmltex \currentcnt{B2}?><label>Table B2</label><caption><p id="d1e18962">Other model parameters. Some parameters are geographically dependent and have
different values for the global and Arctic situations.
An empty value in the “Arctic” column indicates the global value is used in both cases.
Values that were fitted by the calibration steps described in the text are indicated in
bold.</p></caption><oasis:table frame="topbot"><oasis:tgroup cols="6">
     <oasis:colspec colnum="1" colname="col1" align="left"/>
     <oasis:colspec colnum="2" colname="col2" align="left"/>
     <oasis:colspec colnum="3" colname="col3" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="4" colname="col4" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="5" colname="col5" align="left"/>
     <oasis:colspec colnum="6" colname="col6" align="justify" colwidth="4.5cm"/>
     <oasis:thead>
       <oasis:row rowsep="1">
         <oasis:entry colname="col1">Parameter</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">Symbol</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">Global value</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">Arctic value</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">Unit</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6">Equation(s)</oasis:entry>
       </oasis:row>
     </oasis:thead>
     <oasis:tbody>
       <oasis:row rowsep="1">
         <oasis:entry colname="col1">Height of boundary layer</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M491" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">50</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"/>
         <oasis:entry colname="col5">m</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6">(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E3"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E8"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E11"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E17"/>)–(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E27"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E32"/>),<?xmltex \hack{\newline}?> (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E52"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E53"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E55"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E81"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E82"/>)</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row rowsep="1">
         <oasis:entry colname="col1">Top of troposphere</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M492" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">14 000</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">9000</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">m</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6">(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E3"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E8"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E11"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E28"/>)–(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E30"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E32"/>),<?xmltex \hack{\newline}?> (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E52"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E53"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E55"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E81"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E82"/>)</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row rowsep="1">
         <oasis:entry colname="col1">Insolation</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M493" display="inline"><mml:mi>Q</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">340</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">185</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5"><inline-formula><mml:math id="M494" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6">(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E29"/>)</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row rowsep="1">
         <oasis:entry colname="col1">Atmospheric solar reflection</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M495" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">76</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">20</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5"><inline-formula><mml:math id="M496" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6">(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E29"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E55"/>)</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row rowsep="1">
         <oasis:entry colname="col1">Ocean heat transport</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M497" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">0</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">15</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5"><inline-formula><mml:math id="M498" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6">(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E15"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E17"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E26"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E27"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E55"/>)</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row rowsep="1">
         <oasis:entry colname="col1">Total atmospheric heat transport</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M499" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">tot</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">0</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">100</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5"><inline-formula><mml:math id="M500" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6">(<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E53"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E81"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E82"/>)</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row rowsep="1">
         <oasis:entry colname="col1">Relative humidity at tropopause</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M501" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">0.1</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"/>
         <oasis:entry colname="col5">–</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6">(<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E80"/>)</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row rowsep="1">
         <oasis:entry colname="col1">Relative humidity at bottom</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M502" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">0.75</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">0.7</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">–</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6">(<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E80"/>)</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row rowsep="1">
         <oasis:entry colname="col1">Surface horizontal wind speed</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M503" display="inline"><mml:mi>U</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">10</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"/>
         <oasis:entry colname="col5"><inline-formula><mml:math id="M504" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6">(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E14"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E55"/>)</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row rowsep="1">
         <oasis:entry colname="col1">Drag coefficient</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M505" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math id="M506" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="bold">3.180</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="bold">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"/>
         <oasis:entry colname="col5">–</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6">(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E14"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E55"/>)</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row rowsep="1">
         <oasis:entry colname="col1">Shortwave absorption</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M507" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math id="M508" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="bold">4.035</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="bold">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"/>
         <oasis:entry colname="col5"><inline-formula><mml:math id="M509" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">kg</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6">(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E7"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E11"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E21"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E26"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E27"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E55"/>)</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row rowsep="1">
         <oasis:entry colname="col1">Longwave <inline-formula><mml:math id="M510" display="inline"><mml:mrow class="chem"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">CO</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> absorption</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M511" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math id="M512" display="inline"><mml:mn mathvariant="bold">0.1552</mml:mn></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"/>
         <oasis:entry colname="col5"><inline-formula><mml:math id="M513" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">kg</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6">(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E8"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E55"/>)</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row rowsep="1">
         <oasis:entry colname="col1">Longwave H<inline-formula><mml:math id="M514" display="inline"><mml:msub><mml:mi/><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula>O absorption</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M515" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math id="M516" display="inline"><mml:mn mathvariant="bold">0.04969</mml:mn></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"/>
         <oasis:entry colname="col5"><inline-formula><mml:math id="M517" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">kg</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6">(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E8"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E55"/>)</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row rowsep="1">
         <oasis:entry colname="col1">Longwave cloud absorption</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M518" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Cl</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math id="M519" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="bold">7.020</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="bold">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"/>
         <oasis:entry colname="col5"><inline-formula><mml:math id="M520" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6">(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E8"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E55"/>)</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row rowsep="1">
         <oasis:entry colname="col1">Latent and sensible heat decay</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M521" display="inline"><mml:mi>b</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math id="M522" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="bold">4.153</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="bold">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"/>
         <oasis:entry colname="col5"><inline-formula><mml:math id="M523" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6">(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E10"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E11"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E19"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E25"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E55"/>)</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row rowsep="1">
         <oasis:entry colname="col1">Mass flux</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M524" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">tot</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math id="M525" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2.0</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M526" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">8.0</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5"><inline-formula><mml:math id="M527" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">kg</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6">(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E3"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E11"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E17"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E27"/>)</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row rowsep="1">
         <oasis:entry colname="col1">Relative mass flux through top</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M528" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">0.2</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">0.05</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">–</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6">(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E2"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E86"/>)–(<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E89"/>)</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row rowsep="1">
         <oasis:entry colname="col1">Relative mass flux through bottom</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M529" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math id="M530" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M531" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0.4287</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">–</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6">(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E2"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E17"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E22"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E27"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E42"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E47"/>),<?xmltex \hack{\newline}?> (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E70"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E75"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E86"/>)–(<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E89"/>)</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row rowsep="1">
         <oasis:entry colname="col1">Relative zero location of <inline-formula><mml:math id="M532" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M533" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">0</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M534" display="inline"><mml:mn mathvariant="bold">0.2708</mml:mn></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">–</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6">(<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E86"/>)–(<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E89"/>)</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row rowsep="1">
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M535" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:math></inline-formula> length scale bottom</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M536" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">–</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M537" display="inline"><mml:mn mathvariant="bold">1.000</mml:mn></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">–</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6">(<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E88"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E89"/>)</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row rowsep="1">
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M538" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:math></inline-formula> length scale top</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M539" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">1</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M540" display="inline"><mml:mn mathvariant="bold">0.5727</mml:mn></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">–</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6">(<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E88"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E89"/>)</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row rowsep="1">
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M541" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:math></inline-formula> length scale</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M542" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">–</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M543" display="inline"><mml:mn mathvariant="bold">0.7744</mml:mn></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">–</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6">(<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E83"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E84"/>)</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row rowsep="1">
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M544" display="inline"><mml:mrow class="chem"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">CO</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> level</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M545" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math id="M546" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">390</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M547" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">390</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">molar ppm</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6">(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E8"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E55"/>)</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row rowsep="1">
         <oasis:entry colname="col1">Cold surface albedo</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M548" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math id="M549" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">24</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">185</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">0.667</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">–</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6">(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E15"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E16"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E17"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E26"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E27"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E54"/>)</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row rowsep="1">
         <oasis:entry colname="col1">Warm surface albedo</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M550" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math id="M551" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">24</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">185</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">0.1</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">–</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6">(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E15"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E16"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E17"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E26"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E27"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E54"/>)</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Albedo transition steepness</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M552" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">–</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M553" display="inline"><mml:mn mathvariant="bold">0.01942</mml:mn></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">–</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6">(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E15"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E16"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E17"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E26"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E27"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E54"/>)</oasis:entry>
       </oasis:row>
     </oasis:tbody>
   </oasis:tgroup></oasis:table><table-wrap-foot><p id="d1e18965"><inline-formula><mml:math id="M483" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msup></mml:math></inline-formula> Values used for calibration only.
<inline-formula><mml:math id="M484" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msup></mml:math></inline-formula> For the purposes of calibrating the model to global data, both <inline-formula><mml:math id="M485" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M486" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
were set to the empirical value of <inline-formula><mml:math id="M487" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">24</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">185</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
When calibrating the model's mass flux and atmospheric heat transport parameters to Arctic data,
both <inline-formula><mml:math id="M488" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M489" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> were set to the empirical value of <inline-formula><mml:math id="M490" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></table-wrap-foot></table-wrap>

      <p id="d1e20529">Here we provide justification and explanation of our choice of parameter values in
Table <xref ref-type="table" rid="App1.Ch1.S2.T2"/>.
The height of the boundary layer was set to <inline-formula><mml:math id="M554" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">50</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m. The model is not very sensitive to this
parameter.
The height of the tropopause is about 9 km at the poles and 17 km at the Equator, so we used the lower value for the Arctic and a middle value of 14 km for the global average.
The globally averaged insolation, the atmospheric solar reflection, and the
average surface albedo are all obtained from <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx34" id="text.27"/>.
For the Arctic, the insolation is the annual average for the region north of 70<inline-formula><mml:math id="M555" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mo>∘</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> N, the
calculation of which is shown in Sect. <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S2.SS2"/>.
For the average global situation, there is no ocean or atmospheric heat transport; the corresponding values for the Arctic come from <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx19" id="text.28"/> and <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx28" id="text.29"/>.
The Arctic atmospheric reflection and surface albedo come from
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx12" id="text.30"/>, <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx22" id="text.31"/>, and <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx19" id="text.32"/>.
Relative humidity is low at the top of the troposphere, so in both the global and Arctic cases it was set to 10 %.
The surface relative humidity was set to 75 % for the global average and 70 % for the Arctic.
The surface horizontal wind speed, <inline-formula><mml:math id="M556" display="inline"><mml:mi>U</mml:mi></mml:math></inline-formula>, which is a factor in the sensible and latent heat transport from the
surface, was set to 10 <inline-formula><mml:math id="M557" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The exact value is not too important since <inline-formula><mml:math id="M558" display="inline"><mml:mi>U</mml:mi></mml:math></inline-formula> always appears
multiplied by the drag coefficient factor <inline-formula><mml:math id="M559" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which we calibrate to data below.
For the global model it is appropriate to assume that the average vertical wind speed is
zero, but
since the model requires a nonzero wind speed, we set <inline-formula><mml:math id="M560" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">tot</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2.0</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M561" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">kg</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and we set
<inline-formula><mml:math id="M562" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M563" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and assumed <inline-formula><mml:math id="M564" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is given by Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E88"/>), with <inline-formula><mml:math id="M565" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M566" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
(<inline-formula><mml:math id="M567" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is irrelevant since <inline-formula><mml:math id="M568" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.)
These settings make the wind speed relatively constant and of the order of <inline-formula><mml:math id="M569" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M570" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">mm</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which is far enough away from
the singularity to avoid convergence issues but small enough so all of the convection-related terms in the model become negligible.
Mass flux for the Arctic situation was set with trial and error to <inline-formula><mml:math id="M571" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">8.0</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M572" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">kg</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which gave vertical wind speeds in the column of the order of 0.5 <inline-formula><mml:math id="M573" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">mm</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
Since <inline-formula><mml:math id="M574" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">tot</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the global case, the form of <inline-formula><mml:math id="M575" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and therefore also the parameter
<inline-formula><mml:math id="M576" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are not relevant.</p>
      <p id="d1e20916">Calibration of the other model parameters was done in two steps.
First, the absorption coefficients,
<inline-formula><mml:math id="M577" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M578" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M579" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M580" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Cl</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
the decay for sensible and latent heat transport, <inline-formula><mml:math id="M581" display="inline"><mml:mi>b</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and the drag coefficient, <inline-formula><mml:math id="M582" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (which is a multiplicative factor of both <inline-formula><mml:math id="M583" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M584" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), were calibrated using
global average energy fluxes obtained from <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx34" id="text.33"/>.
In addition, this calibration attempted to match estimates from <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx26" id="text.34"/>, indicating that 25 % of absorption is due to carbon dioxide, 25 %
due to clouds, and 50 % due to water vapour. These fractions are determined from the model via

                <disp-formula specific-use="align"><mml:math id="M585" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mtext>Tot</mml:mtext></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:munderover><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">contrib</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mtext>Tot</mml:mtext></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mtext>Cl</mml:mtext><mml:mi mathvariant="normal">contrib</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mtext>Tot</mml:mtext></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Cl</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">contrib</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mtext>Tot</mml:mtext></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            The relevant data are given in Table <xref ref-type="table" rid="App1.Ch1.S2.T3"/>.</p>

<?xmltex \floatpos{t}?><table-wrap id="App1.Ch1.S2.T3" specific-use="star"><?xmltex \currentcnt{B3}?><label>Table B3</label><caption><p id="d1e21264">Global average energy fluxes (<inline-formula><mml:math id="M586" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) from <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx34" id="text.35"/> and contribution fractions for absorption from <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx26" id="text.36"/>.
</p></caption><oasis:table frame="topbot"><oasis:tgroup cols="9">
     <oasis:colspec colnum="1" colname="col1" align="left"/>
     <oasis:colspec colnum="2" colname="col2" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="3" colname="col3" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="4" colname="col4" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="5" colname="col5" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="6" colname="col6" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="7" colname="col7" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="8" colname="col8" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="9" colname="col9" align="right"/>
     <oasis:thead>
       <oasis:row rowsep="1">
         <oasis:entry colname="col1"/>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M587" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math id="M588" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M589" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5"><inline-formula><mml:math id="M590" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6"><inline-formula><mml:math id="M591" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col7"><inline-formula><mml:math id="M592" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">contrib</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col8"><inline-formula><mml:math id="M593" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mtext>Cl</mml:mtext><mml:mi mathvariant="normal">contrib</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col9"><inline-formula><mml:math id="M594" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">contrib</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
       </oasis:row>
     </oasis:thead>
     <oasis:tbody>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Data</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">239</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">397</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">342</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">185</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6">105</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col7">0.25</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col8">0.25</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col9">0.50</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Model</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">239.7</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">397.4</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">341.7</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">184.9</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6">105.2</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col7">0.2332</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col8">0.2130</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col9">0.5538</oasis:entry>
       </oasis:row>
     </oasis:tbody>
   </oasis:tgroup></oasis:table></table-wrap>

      <p id="d1e21518">Using these parameter settings, we minimized the sum of squares of the differences between the data from Table <xref ref-type="table" rid="App1.Ch1.S2.T3"/> (after nondimensionalization) with the model
outputs allowing the parameters
<inline-formula><mml:math id="M595" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M596" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M597" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M598" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Cl</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M599" display="inline"><mml:mi>b</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M600" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to vary.
In the minimization calculation, the terms associated with the contribution values (last three
columns of Table <xref ref-type="table" rid="App1.Ch1.S2.T3"/>) were given a heuristic weight of 0.01, since these values are
less reliable than the other data.
The resulting calibrated values for these parameters are given in Table <xref ref-type="table" rid="App1.Ch1.S2.T2"/>;
the results of the fitting are given in Table <xref ref-type="table" rid="App1.Ch1.S2.T3"/> and Fig. <xref ref-type="fig" rid="App1.Ch1.S2.F6"/>.
As can be seen in Table <xref ref-type="table" rid="App1.Ch1.S2.T3"/>, the minimization achieved very good agreement with
the globally averaged data.</p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="App1.Ch1.S2.F6"><?xmltex \currentcnt{B1}?><?xmltex \def\figurename{Figure}?><label>Figure B1</label><caption><p id="d1e21599">Model calibrated to global average values.
The vertical axis in all the plots is the pressure. <bold>(a)</bold> Energy transport via radiative terms, and latent and sensible heat.
<bold>(b)</bold> Atmospheric temperature.
The red asterisk marks the surface temperature, <inline-formula><mml:math id="M601" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
<bold>(c)</bold> Atmospheric heat transport, <inline-formula><mml:math id="M602" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
<bold>(d)</bold> Vertical wind speed.
<bold>(e)</bold> Density.
</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=221.931496pt}?><graphic xlink:href="https://npg.copernicus.org/articles/29/219/2022/npg-29-219-2022-f06.png"/>

        </fig>

      <p id="d1e21647">Using the calibrated values for <inline-formula><mml:math id="M603" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M604" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M605" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M606" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Cl</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M607" display="inline"><mml:mi>b</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M608" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> obtained from the
first step, the second calibration step was to select the parameters for the functions
<inline-formula><mml:math id="M609" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M610" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to attempt to match the annual temperature profile for the
Arctic from <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx6" id="text.37"><named-content content-type="post">Fig. 1</named-content></xref>.
Data from that figure of their paper are reproduced in Table <xref ref-type="table" rid="App1.Ch1.S2.T4"/>. The Arctic values of the geographic-dependent parameters from Table <xref ref-type="table" rid="App1.Ch1.S2.T2"/> were used.
Using each of the four forms for <inline-formula><mml:math id="M611" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, given by Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E86"/>)–(<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E89"/>), and each
of the two forms for <inline-formula><mml:math id="M612" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, given by Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E83"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E84"/>), the sum of the square of the
differences between the model and the data in Table <xref ref-type="table" rid="App1.Ch1.S2.T4"/> was minimized by allowing
the parameters <inline-formula><mml:math id="M613" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M614" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M615" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M616" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M617" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to vary.
The fit quality is shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="App1.Ch1.S2.F7"/>.
From this figure it is evident that the first two forms for <inline-formula><mml:math id="M618" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, namely
Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E86"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E87"/>), do not give adequate fits. The other two forms for <inline-formula><mml:math id="M619" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:math></inline-formula> are similar, and both forms of <inline-formula><mml:math id="M620" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:math></inline-formula> only give small changes.
The best fit is the third form for <inline-formula><mml:math id="M621" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and the second form for <inline-formula><mml:math id="M622" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, that is,
Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E88"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E84"/>), and so these forms were chosen for the model. The calibrated parameters for these forms of <inline-formula><mml:math id="M623" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M624" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:math></inline-formula> are given in
Table <xref ref-type="table" rid="App1.Ch1.S2.T2"/>, and the corresponding functions <inline-formula><mml:math id="M625" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M626" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:math></inline-formula> are shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="App1.Ch1.S2.F8"/>.</p>

<?xmltex \floatpos{t}?><table-wrap id="App1.Ch1.S2.T4" specific-use="star"><?xmltex \currentcnt{B4}?><label>Table B4</label><caption><p id="d1e21930">Annual Arctic temperature data from Fig. 1 of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx6" id="text.38"/>.</p></caption><oasis:table frame="topbot"><oasis:tgroup cols="11">
     <oasis:colspec colnum="1" colname="col1" align="left"/>
     <oasis:colspec colnum="2" colname="col2" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="3" colname="col3" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="4" colname="col4" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="5" colname="col5" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="6" colname="col6" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="7" colname="col7" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="8" colname="col8" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="9" colname="col9" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="10" colname="col10" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="11" colname="col11" align="right"/>
     <oasis:thead>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Pressure (kPa)</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">100</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">95</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">90</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">85</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6">80</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col7">75</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col8">70</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col9">65</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col10">60</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col11">55</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row rowsep="1">
         <oasis:entry colname="col1">Temperature (K)</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">260.1</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">261.8</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">262.1</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">261.3</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6">260.1</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col7">258.1</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col8">255.7</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col9">252.7</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col10">249.5</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col11">245.4</oasis:entry>
       </oasis:row>
     </oasis:thead>
     <oasis:tbody>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Pressure (kPa)</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">50</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">45</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">40</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">35</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6">30</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col7">25</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col8">20</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col9">15</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col10">10</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col11"/>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Temperature (K)</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">241.4</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">236.3</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">231.4</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">225.7</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6">221.3</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col7">220.1</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col8">221.8</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col9">222.5</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col10">221.5</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col11"/>
       </oasis:row>
     </oasis:tbody>
   </oasis:tgroup></oasis:table></table-wrap>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="App1.Ch1.S2.F7"><?xmltex \currentcnt{B2}?><?xmltex \def\figurename{Figure}?><label>Figure B2</label><caption><p id="d1e22119">Temperature profiles for best fits for each of the forms of <inline-formula><mml:math id="M627" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M628" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:math></inline-formula>.
Panels <bold>(a)</bold> and <bold>(b)</bold> correspond to Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E86"/>) for <inline-formula><mml:math id="M629" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and panels <bold>(c)</bold> and <bold>(d)</bold> to Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E87"/>), and similarly, panels <bold>(e–h)</bold> correspond to Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E88"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E89"/>), respectively.
Panels <bold>(a)</bold>, <bold>(c)</bold>, <bold>(e)</bold>, and <bold>(g)</bold> correspond to Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E83"/>) for <inline-formula><mml:math id="M630" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, while panels <bold>(b)</bold>, <bold>(d)</bold>, <bold>(f)</bold>, and <bold>(h)</bold> correspond to Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E84"/>).
The data from <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx6" id="text.39"/> are the red circles.
The numbers in the bottom left are the residuals for the fits.</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=199.169291pt}?><graphic xlink:href="https://npg.copernicus.org/articles/29/219/2022/npg-29-219-2022-f07.png"/>

        </fig>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="App1.Ch1.S2.F8"><?xmltex \currentcnt{B3}?><?xmltex \def\figurename{Figure}?><label>Figure B3</label><caption><p id="d1e22216">Calibrated functions: <bold>(a)</bold> <inline-formula><mml:math id="M631" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <bold>(b)</bold> <inline-formula><mml:math id="M632" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=236.157874pt}?><graphic xlink:href="https://npg.copernicus.org/articles/29/219/2022/npg-29-219-2022-f08.png"/>

        </fig>

      <p id="d1e22246">For the above calibrations, the albedo values <inline-formula><mml:math id="M633" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and
<inline-formula><mml:math id="M634" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E54"/>)
were set to the same constant value (<inline-formula><mml:math id="M635" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">24</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">185</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for calibration to global data, <inline-formula><mml:math id="M636" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for calibration to Arctic data)
in order to ensure the empirical albedo value was matched regardless of the surface
temperature.
Now that the calibrations are complete, we wish to apply the model to the Arctic using
different values of the carbon dioxide level.
As such, we must choose values of <inline-formula><mml:math id="M637" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M638" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M639" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:math></inline-formula>
that allow for the albedo to change appropriately with surface temperature.
The empirical albedo of <inline-formula><mml:math id="M640" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which was used in the Arctic calibration,
resulted in a surface temperature of <inline-formula><mml:math id="M641" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">253.4</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> K.
Since this temperature is well below freezing,
the albedo at this temperature should be near the maximum albedo, so <inline-formula><mml:math id="M642" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> was set to 0.667.
Second, <inline-formula><mml:math id="M643" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> was set to 0.1, corresponding to the fact that, north of 70<inline-formula><mml:math id="M644" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mo>∘</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> latitude, the Earth is mostly ocean-covered (albedo 0.06 for open water) and partly land (albedo 0.1–0.4).
The value of <inline-formula><mml:math id="M645" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:math></inline-formula> was then calculated from Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E16"/>)
so that <inline-formula><mml:math id="M646" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">253.4</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
This resulted in <inline-formula><mml:math id="M647" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.01942</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S2.SS2">
  <label>B2</label><title>Insolation</title>
      <p id="d1e22437">This section presents the calculation of the insolation used in the Arctic model, where,
in particular, the insolation is taken as an annual average over the region north of 70<inline-formula><mml:math id="M648" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mo>∘</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> N.</p>
      <p id="d1e22449">Select a Cartesian coordinate system <inline-formula><mml:math id="M649" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the solar system with the Sun at the origin, with the <inline-formula><mml:math id="M650" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> axis perpendicular to the Earth's orbital plane and with the positive <inline-formula><mml:math id="M651" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> axis defined by the direction in the orbital plane from the Sun to the centre of the Earth when the Earth's North Pole is furthest from the Sun (Northern Hemisphere
winter solstice).
Let <inline-formula><mml:math id="M652" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be the usual polar coordinates for the centre of the Earth on the
orbital plane.
Approximate the incoming solar radiation to the Earth
as parallel rays travelling from the direction <inline-formula><mml:math id="M653" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with energy flux <inline-formula><mml:math id="M654" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1366</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M655" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (the solar constant).
Let <inline-formula><mml:math id="M656" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M657" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:math></inline-formula> be the latitude and “longitude” of a location on the Earth's surface,
where we assume that <inline-formula><mml:math id="M658" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is aligned with the positive <inline-formula><mml:math id="M659" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> axis of the solar coordinate
system, not with some fixed location on the Earth's surface.
If the Earth's axis of rotation was parallel to the <inline-formula><mml:math id="M660" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> axis (no tilt), then the unit outward normal to the Earth's surface in the solar coordinate system would be
            <disp-formula id="App1.Ch1.S2.Ex5"><mml:math id="M661" display="block"><mml:mrow><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="matrix" columnalign="center" framespacing="0em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="2em"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          However, the Earth's axis is actually tilted by an angle <inline-formula><mml:math id="M662" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">23.5</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">180</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
in the negative sense in the <inline-formula><mml:math id="M663" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> plane. Applying this tilt gives the unit outward normal as

                <disp-formula specific-use="align"><mml:math id="M664" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="matrix" columnalign="center center center" framespacing="0em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="matrix" columnalign="center" framespacing="0em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="matrix" columnalign="center" framespacing="0em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            The insolation striking the Earth's surface at <inline-formula><mml:math id="M665" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is then
<inline-formula><mml:math id="M666" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>max⁡</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
where the maximum is due to the fact that the dot product is negative for points
on the dark side of the Earth, away from the Sun, and hence the insolation there is zero.</p>
      <p id="d1e22940">Let <inline-formula><mml:math id="M667" display="inline"><mml:mi>S</mml:mi></mml:math></inline-formula> be the region of the Earth between latitudes <inline-formula><mml:math id="M668" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M669" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
The area element is <inline-formula><mml:math id="M670" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M671" display="inline"><mml:mi>R</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the radius of the Earth.
Therefore the average annual (<inline-formula><mml:math id="M672" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> runs 0 to <inline-formula><mml:math id="M673" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) insolation in a region, <inline-formula><mml:math id="M674" display="inline"><mml:mi>S</mml:mi></mml:math></inline-formula>, of the Earth is

                <disp-formula specific-use="align"><mml:math id="M675" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>max⁡</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>×</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">max⁡</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            Numerical integration of the above formula yields <inline-formula><mml:math id="M676" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">341</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M677" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the entire globe, which agrees
well with Wild's value of 340 (the difference is likely due to some ambiguity in the precise value
of <inline-formula><mml:math id="M678" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), and yields <inline-formula><mml:math id="M679" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">185</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M680" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the Arctic region north of
70<inline-formula><mml:math id="M681" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mo>∘</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> latitude.
If one considers the limit as the region of interest shrinks to size zero around the North Pole,
the value of the insolation approaches the limit <inline-formula><mml:math id="M682" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">173.85</mml:mn></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M683" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
</sec>
</app>
  </app-group><notes notes-type="codeavailability"><title>Code availability</title>

      <p id="d1e23336">Analysis code is available from the authors on request.</p>
  </notes><notes notes-type="dataavailability"><title>Data availability</title>

      <p id="d1e23342">All of the data used in this paper are publicly available from the references listed.</p>
  </notes><notes notes-type="authorcontribution"><title>Author contributions</title>

      <p id="d1e23348">The research project was conceptualized by WFL.
Funding acquisition was by WFL, GML, and ARW. The methodology was developed by KLK, GML, and ARW. KLK did the formal analysis, investigation and validation. Software was primarily written by KLK with support from GML and ARW.
Figure visualization was done by KLK and ARW. ARW wrote the original draft; all the authors were involved in reviewing and editing.</p>
  </notes><notes notes-type="competinginterests"><title>Competing interests</title>

      <p id="d1e23354">The contact author has declared that neither they nor their co-authors have any competing interests.</p>
  </notes><notes notes-type="disclaimer"><title>Disclaimer</title>

      <p id="d1e23360">Publisher's note: Copernicus Publications remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations.</p>
  </notes><ack><title>Acknowledgements</title><p id="d1e23366">We were supported by the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC). Kolja L. Kypke thanks the Ontario Ministry of Colleges and Universities and the University of Guelph
for a Queen Elizabeth II Graduate Scholarship in Science and Technology.</p></ack><notes notes-type="financialsupport"><title>Financial support</title>

      <p id="d1e23371">This research has been supported by the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (grant nos. 400450 and 006257).</p>
  </notes><notes notes-type="reviewstatement"><title>Review statement</title>

      <p id="d1e23377">This paper was edited by Vicente Perez-Munuzuri and reviewed by Marek Stastna and one anonymous referee.</p>
  </notes><ref-list>
    <title>References</title>

      <ref id="bib1.bibx1"><?xmltex \def\ref@label{{Abbot et al.(2011)Abbot, Silber, and Pierrehumbert}}?><label>Abbot et al.(2011)Abbot, Silber, and Pierrehumbert</label><?label AbSi11?><mixed-citation>Abbot, D. S., Silber, M., and Pierrehumbert, R. T.: Bifurcations leading to summer Arctic sea ice loss, J. Geophys. Res.-Atmos., 116, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/2011JD015653" ext-link-type="DOI">10.1029/2011JD015653</ext-link>, 2011.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx2"><?xmltex \def\ref@label{{Armour et al.(2011)Armour, Eisenman, Blanchard-Wrigglesworth, McCusker, and Bitz}}?><label>Armour et al.(2011)Armour, Eisenman, Blanchard-Wrigglesworth, McCusker, and Bitz</label><?label ArEi11?><mixed-citation>Armour, K. C., Eisenman, I., Blanchard-Wrigglesworth, E., McCusker, K. E., and Bitz, C. M.: The reversibility of sea ice loss in a state-of-the-art climate model, Geophys. Res. Lett., 38, L16705, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/2011GL048739" ext-link-type="DOI">10.1029/2011GL048739</ext-link>, 2011.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx3"><?xmltex \def\ref@label{{{\AA}rthun et al.(2021){\AA}rthun, Onarheim, D\"{o}rr, and Eldevik}}?><label>Årthun et al.(2021)Årthun, Onarheim, Dörr, and Eldevik</label><?label ArOn21?><mixed-citation>Årthun, M., Onarheim, I. H., Dörr, J., and Eldevik, T.: The Seasonal and Regional Transition to an Ice-Free Arctic, Geophys. Res. Lett., 48, e2020GL090825, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/2020GL090825" ext-link-type="DOI">10.1029/2020GL090825</ext-link>, 2021.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx4"><?xmltex \def\ref@label{{Bathiany et al.(2016)Bathiany, Notz, Mauritsen, Raedel, and Brovkin}}?><label>Bathiany et al.(2016)Bathiany, Notz, Mauritsen, Raedel, and Brovkin</label><?label BaNo16?><mixed-citation>Bathiany, S., Notz, D., Mauritsen, T., Raedel, G., and Brovkin, V.: On the Potential for Abrupt Arctic Winter Sea Ice Loss, J. Climate, 29, 2703–2719, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1175/JCLI-D-15-0466.1" ext-link-type="DOI">10.1175/JCLI-D-15-0466.1</ext-link>,  2016.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx5"><?xmltex \def\ref@label{{Bj\"{o}rk and S\"{o}derkvist(2002)}}?><label>Björk and Söderkvist(2002)</label><?label BjSo02?><mixed-citation>Björk, G. and Söderkvist, J.: Dependence of the Arctic Ocean ice thickness distribution on the poleward energy flux in the atmosphere, J. Geophys. Res.-Oceans, 107, 37-1–37-17, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/2000JC000723" ext-link-type="DOI">10.1029/2000JC000723</ext-link>, 2002.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx6"><?xmltex \def\ref@label{{Cronin and Jansen(2016)}}?><label>Cronin and Jansen(2016)</label><?label CrJa16?><mixed-citation>Cronin, T. W. and Jansen, M. F.: Analytic Radiative-Advective Equilibrium as a Model for High-Latitude Climate, Geophys. Res. Lett., 43, 449–457, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1002/2015GL067172" ext-link-type="DOI">10.1002/2015GL067172</ext-link>, 2016.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx7"><?xmltex \def\ref@label{{Dortmans et al.(2019)Dortmans, Langford, and Willms}}?><label>Dortmans et al.(2019)Dortmans, Langford, and Willms</label><?label DoLa19?><mixed-citation>Dortmans, B., Langford, W. F., and Willms, A. R.: An energy balance model for paleoclimate transitions, Clim. Past, 15, 493–520, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5194/cp-15-493-2019" ext-link-type="DOI">10.5194/cp-15-493-2019</ext-link>, 2019.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx8"><?xmltex \def\ref@label{{Eisenman(2012)}}?><label>Eisenman(2012)</label><?label Ei12?><mixed-citation>Eisenman, I.: Factors Controlling the Bifurcation Structure of Sea Ice Retreat, J. Geophys. Res., 117, D01111, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/2011JD016164" ext-link-type="DOI">10.1029/2011JD016164</ext-link>, 2012.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx9"><?xmltex \def\ref@label{{Eisenman and Wettlaufer(2009)}}?><label>Eisenman and Wettlaufer(2009)</label><?label EiWe09?><mixed-citation>Eisenman, I. and Wettlaufer, J. S.: Nonlinear Threshold Behavior During the Loss of Arctic Sea Ice, P. Natl. Acad. Sci. USA, 106, 28–32, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1073/pnas.0806887106" ext-link-type="DOI">10.1073/pnas.0806887106</ext-link>, 2009.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx10"><?xmltex \def\ref@label{{Flato and Brown(1996)}}?><label>Flato and Brown(1996)</label><?label FlBr96?><mixed-citation>Flato, G. M. and Brown, R. D.: Variability and climate sensitivity of landfast Arctic sea ice, J. Geophys. Res.-Oceans, 101, 25767–25777, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/96JC02431" ext-link-type="DOI">10.1029/96JC02431</ext-link>, 1996.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx11"><?xmltex \def\ref@label{{{Intergovernmental Panel on Climate Change}(2013)}}?><label>Intergovernmental Panel on Climate Change(2013)</label><?label IPCC13?><mixed-citation>Intergovernmental Panel on Climate Change: Climate Change 2013: The Physical Science Basis, in: Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, edited by: Stocker, T. F., Qin, D., Plattner, G. K., Tignor, M., Allen, S. K., Boschung, J., Nauels, A., Xia, Y., Bex, V., and Midgley, P. M., Cambridge Univ. Press, Cambridge, UK and New York, NY, USA, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1017/CBO9781107415324" ext-link-type="DOI">10.1017/CBO9781107415324</ext-link>, 2013.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx12"><?xmltex \def\ref@label{{Kalnay et al.(1996)Kalnay, Kanamitsu, Kistler, Collins, Deavan, Gandin, Iredell, Saha, White, Woollen, Zhu, Chelliah, Ebisuzaki, Higgins, Janowiak, Mo, Ropelewski, Wang, Leetmaa, Reynolds, Jenne, and Joseph}}?><label>Kalnay et al.(1996)Kalnay, Kanamitsu, Kistler, Collins, Deavan, Gandin, Iredell, Saha, White, Woollen, Zhu, Chelliah, Ebisuzaki, Higgins, Janowiak, Mo, Ropelewski, Wang, Leetmaa, Reynolds, Jenne, and Joseph</label><?label KaKa96?><mixed-citation>Kalnay, E., Kanamitsu, M., Kistler, R., Collins, W., Deavan, D., Gandin, L., Iredell, M., Saha, S., White, G., Woollen, J., Zhu, Y., Chelliah, M., Ebisuzaki, W., Higgins, W., Janowiak, J., Mo, K. C., Ropelewski, C., Wang, J., Leetmaa, A., Reynolds, R., Jenne, R., and Joseph, D.: The NCEP/NCAR 40-Year Reanalysis Project, B. Am. Meteorol. Soc., 77, 437–471, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1175/1520-0477(1996)077&lt;0437:TNYRP&gt;2.0.CO;2" ext-link-type="DOI">10.1175/1520-0477(1996)077&lt;0437:TNYRP&gt;2.0.CO;2</ext-link>, 1996.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx13"><?xmltex \def\ref@label{{Kuznetsov(2004)}}?><label>Kuznetsov(2004)</label><?label Ku04?><mixed-citation>
Kuznetsov, Y.: Elements of Applied Bifurcation Theory, 3rd edn., Springer-Verlag, New York, ISBN: 978-0387219066, 2004.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx14"><?xmltex \def\ref@label{{Kypke et al.(2020)Kypke, Langford, and Willms}}?><label>Kypke et al.(2020)Kypke, Langford, and Willms</label><?label KyLa20?><mixed-citation>Kypke, K. L., Langford, W. F., and Willms, A. R.: Anthropocene climate bifurcation, Nonlin. Processes Geophys., 27, 391–409, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5194/npg-27-391-2020" ext-link-type="DOI">10.5194/npg-27-391-2020</ext-link>, 2020.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx15"><?xmltex \def\ref@label{{Langford and Lewis(2009)}}?><label>Langford and Lewis(2009)</label><?label LL09?><mixed-citation>
Langford, W. F. and Lewis, G. M.: Poleward expansion of Hadley cells, Can. Appl. Math. Quart., 17, 105–119, 2009.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx16"><?xmltex \def\ref@label{{Lenton et al.(2008)Lenton, Held, Kriegler, Hall, Lucht, Rahmstorf, and Schellnhuber}}?><label>Lenton et al.(2008)Lenton, Held, Kriegler, Hall, Lucht, Rahmstorf, and Schellnhuber</label><?label LeHe08?><mixed-citation>Lenton, T. M., Held, H., Kriegler, E., Hall, J. W., Lucht, W., Rahmstorf, S., and Schellnhuber, H. J.: Tipping Elements in the Earth's Climate System, P. Natl. Acad. Sci. USA, 105, 1786–1793, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1073/pnas.0705414105" ext-link-type="DOI">10.1073/pnas.0705414105</ext-link>, 2008.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx17"><?xmltex \def\ref@label{{Lewis and Langford(2008)}}?><label>Lewis and Langford(2008)</label><?label LL08?><mixed-citation>Lewis, G. M. and Langford, W. F.: Hysteresis in a rotating differentially heated spherical shell of Boussinesq fluid, SIAM J. Appl. Dyn. Syst., 7, 1421–1444, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1137/070697306" ext-link-type="DOI">10.1137/070697306</ext-link>, 2008.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx18"><?xmltex \def\ref@label{{Lutgens and Tarbuck(2019)}}?><label>Lutgens and Tarbuck(2019)</label><?label LuTa19?><mixed-citation>
Lutgens, F. K. and Tarbuck, E. J.: The Atmosphere: An Introduction to Meteorology, 14th edn., Pearson Education Inc., Boston, USA, ISBN: 9780134758589, 2019.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx19"><?xmltex \def\ref@label{{Mayer et al.(2019)Mayer, Tietsche, Haimberger, Tsubouchi, Mayer, and Zuo}}?><label>Mayer et al.(2019)Mayer, Tietsche, Haimberger, Tsubouchi, Mayer, and Zuo</label><?label MaTi19?><mixed-citation>Mayer, M., Tietsche, S., Haimberger, L., Tsubouchi, T., Mayer, J., and Zuo, H.: An Improved Estimate of the Coupled Arctic Energy Budget, J. Climate, 32, 7915–7934, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1175/JCLI-D-19-0233.1" ext-link-type="DOI">10.1175/JCLI-D-19-0233.1</ext-link>, 2019.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx20"><?xmltex \def\ref@label{{Merryfield et al.(2008)Merryfield, Holland, and Monahan}}?><label>Merryfield et al.(2008)Merryfield, Holland, and Monahan</label><?label MeHo08?><mixed-citation>Merryfield, W. J., Holland, M. M., and Monahan, A. H.: Multiple Equilibria and Abrupt Transitions in Arctic Summer Sea Ice Extent, American Geophysical Union (AGU), 151–174, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/180GM11" ext-link-type="DOI">10.1029/180GM11</ext-link>, 2008.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx21"><?xmltex \def\ref@label{{M\"{u}ller-Stoffels and Wackerbauer(2011)}}?><label>Müller-Stoffels and Wackerbauer(2011)</label><?label MuWa11?><mixed-citation>Müller-Stoffels, M. and Wackerbauer, R.: Regular network model for the sea ice-albedo feedback in the Arctic, Chaos, 21, 013111, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1063/1.3555835" ext-link-type="DOI">10.1063/1.3555835</ext-link>, 2011.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx22"><?xmltex \def\ref@label{{{National Centers for Environmental Protection/National Weather Service/NOAA/U.S. Department of Commerce}(2021)}}?><label>National Centers for Environmental Protection/National Weather Service/NOAA/U.S. Department of Commerce(2021)</label><?label NCEPNCAR_dataset?><mixed-citation>National Centers for Environmental Protection/National Weather Service/NOAA/U.S. Department of Commerce: NCEP/NCAR Global  Reanalysis Products, 1948–continuing, updated monthly, Research Data Archive [data set],  <uri>https://psl.noaa.gov/data/gridded/data.ncep.reanalysis.html</uri> (last access: November 2021), 1994.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx23"><?xmltex \def\ref@label{{Pierrehumbert(2010)}}?><label>Pierrehumbert(2010)</label><?label Pie10?><mixed-citation>
Pierrehumbert, R. T.: Principles of Planetary Climate, Cambridge University Press, Cambridge, UK, ISBN: 978-0-521-86556-2, 2010.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx24"><?xmltex \def\ref@label{{Ridley et al.(2008)Ridley, Lowe, and Simonin}}?><label>Ridley et al.(2008)Ridley, Lowe, and Simonin</label><?label RiLo08?><mixed-citation>Ridley, J., Lowe, J., and Simonin, D.: The demise of Arctic sea ice during stabilisation at high greenhouse gas concentrations, Clim. Dynam., 30, 333–341, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1007/s00382-007-0291-4" ext-link-type="DOI">10.1007/s00382-007-0291-4</ext-link>, 2008.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx25"><?xmltex \def\ref@label{{Russill(2015)}}?><label>Russill(2015)</label><?label Ru15?><mixed-citation>Russill, C.: Climate Change Tipping Points: Origins, Precursors, and Debates, WIREs Clim. Change, 6, 427–434, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1002/wcc.344" ext-link-type="DOI">10.1002/wcc.344</ext-link>, 2015.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx26"><?xmltex \def\ref@label{{Schmidt et al.(2010)}}?><label>Schmidt et al.(2010)</label><?label SRM10?><mixed-citation>Schmidt, G. A., Ruedy, R. A., Miller, R. L., and Lacis, A. A.: Attribution of the present-day total greenhouse effect, J. Geophys. Res., 115, D20106, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/2010JD014287" ext-link-type="DOI">10.1029/2010JD014287</ext-link>, 2010.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx27"><?xmltex \def\ref@label{{Schr\"{o}der and Connolley(2007)}}?><label>Schröder and Connolley(2007)</label><?label ScCo07?><mixed-citation>Schröder, D. and Connolley, W. M.: Impact of instantaneous sea ice removal in a coupled general circulation model, Geophys. Res. Lett., 34, L14502, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/2007GL030253" ext-link-type="DOI">10.1029/2007GL030253</ext-link>, 2007.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx28"><?xmltex \def\ref@label{{Serreze et al.(2007)Serreze, Barrett, Slater, Steele, Zhang, and Trenberth}}?><label>Serreze et al.(2007)Serreze, Barrett, Slater, Steele, Zhang, and Trenberth</label><?label SeBa07?><mixed-citation>Serreze, M. C., Barrett, A. P., Slater, A. G., Steele, M., Zhang, J., and Trenberth, K. E.: The large-scale energy budget of the Arctic, J. Geophys. Res., 112, D11122, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/2006JD008230" ext-link-type="DOI">10.1029/2006JD008230</ext-link>, 2007.
</mixed-citation></ref><?xmltex \hack{\newpage}?>
      <ref id="bib1.bibx29"><?xmltex \def\ref@label{{Stroeve et al.(2014)Stroeve, Markus, Boisvert, Miller, and Barrett}}?><label>Stroeve et al.(2014)Stroeve, Markus, Boisvert, Miller, and Barrett</label><?label StMa14?><mixed-citation>Stroeve, J. C., Markus, T., Boisvert, L., Miller, J., and Barrett, A.: Changes in Arctic melt season and implications for sea ice loss, Geophys. Res. Lett., 41, 1216–1225, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1002/2013GL058951" ext-link-type="DOI">10.1002/2013GL058951</ext-link>, 2014.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx30"><?xmltex \def\ref@label{{Thorndike(1992)}}?><label>Thorndike(1992)</label><?label Th92?><mixed-citation>Thorndike, A. S.: A toy model linking atmospheric thermal radiation and sea ice growth, J. Geophys. Res.-Oceans, 97, 9401–9410, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/92JC00695" ext-link-type="DOI">10.1029/92JC00695</ext-link>, 1992.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx31"><?xmltex \def\ref@label{{Tietsche et al.(2011)Tietsche, Notz, Jungclaus, and Marotzke}}?><label>Tietsche et al.(2011)Tietsche, Notz, Jungclaus, and Marotzke</label><?label TiNo11?><mixed-citation>Tietsche, S., Notz, D., Jungclaus, J. H., and Marotzke, J.: Recovery mechanisms of Arctic summer sea ice, Geophys. Res. Lett., 38, L02707, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/2010GL045698" ext-link-type="DOI">10.1029/2010GL045698</ext-link>, 2011.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx32"><?xmltex \def\ref@label{{van Groesen and Molenaar(2017)}}?><label>van Groesen and Molenaar(2017)</label><?label GrMo07?><mixed-citation>
van Groesen, E. and Molenaar, J.: Continuum Modeling in the Physical Sciences, SIAM, Philadelphia, USA, ISBN: 978-0-898716-25-2 2017.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx33"><?xmltex \def\ref@label{{van Vuuren et al.(2011)van Vuuren, Edmonds, Kainuma, Riahi, Thomson, Hibbard, Hurtt, Kram, Krey, Lamarque, Masui, Meinshausen, Nakicenovic, Smith, and Rose}}?><label>van Vuuren et al.(2011)van Vuuren, Edmonds, Kainuma, Riahi, Thomson, Hibbard, Hurtt, Kram, Krey, Lamarque, Masui, Meinshausen, Nakicenovic, Smith, and Rose</label><?label VuEd11?><mixed-citation>van Vuuren, D. P., Edmonds, J., Kainuma, M., Riahi, K., Thomson, A., Hibbard, K., Hurtt, G. C., Kram, T., Krey, V., Lamarque, J.-F., Masui, T., Meinshausen, M., Nakicenovic, N., Smith, S. J., and Rose, S. K.: The Representative Concentration Pathways: An Overview, Clim. Change, 109, 5–31, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1007/s10584-011-0148-z " ext-link-type="DOI">10.1007/s10584-011-0148-z </ext-link>, 2011.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx34"><?xmltex \def\ref@label{{Wild et al.(2013)Wild, Folini, Sch\"{a}r, Loeb, Dutton, and K\"{o}nig-Langlo}}?><label>Wild et al.(2013)Wild, Folini, Schär, Loeb, Dutton, and König-Langlo</label><?label WFS13?><mixed-citation>Wild, M., Folini, D., Schär, C., Loeb, N., Dutton, E. G., and König-Langlo, G.: The global energy balance from a surface perspective, Clim. Dynam., 40, 3107–3134, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1007/s00382-012-1569-8" ext-link-type="DOI">10.1007/s00382-012-1569-8</ext-link>, 2013.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx35"><?xmltex \def\ref@label{{Winton(2006)}}?><label>Winton(2006)</label><?label Wi06?><mixed-citation>Winton, M.: Does the Arctic sea ice have a tipping point?, Geophys. Res. Lett., 33, L23504, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/2006GL028017" ext-link-type="DOI">10.1029/2006GL028017</ext-link>, 2006.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx36"><?xmltex \def\ref@label{{Winton(2008)}}?><label>Winton(2008)</label><?label Win08?><mixed-citation>Winton, M.: Sea Ice–Albedo Feedback and Nonlinear Arctic Climate Change, American Geophysical Union (AGU), 111–131, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/180GM09" ext-link-type="DOI">10.1029/180GM09</ext-link>, 2008.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx37"><?xmltex \def\ref@label{{Zheng et al.(2021)Zheng, Cheng, Chen, and Liang}}?><label>Zheng et al.(2021)Zheng, Cheng, Chen, and Liang</label><?label ZhCh21?><mixed-citation>Zheng, L., Cheng, X., Chen, Z., and Liang, Q.: Delay in Arctic Sea Ice Freeze-Up Linked to Early Summer Sea Ice Loss: Evidence from Satellite Observations, Remote Sens., 13, 2162, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.3390/rs13112162" ext-link-type="DOI">10.3390/rs13112162</ext-link>, 2021.</mixed-citation></ref>

  </ref-list></back>
    <!--<article-title-html>Climate bifurcations in a Schwarzschild equation model of the Arctic atmosphere</article-title-html>
<abstract-html/>
<ref-html id="bib1.bib1"><label>Abbot et al.(2011)Abbot, Silber, and Pierrehumbert</label><mixed-citation>
Abbot, D. S., Silber, M., and Pierrehumbert, R. T.: Bifurcations leading to summer Arctic sea ice loss, J. Geophys. Res.-Atmos., 116, <a href="https://doi.org/10.1029/2011JD015653" target="_blank">https://doi.org/10.1029/2011JD015653</a>, 2011.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib2"><label>Armour et al.(2011)Armour, Eisenman, Blanchard-Wrigglesworth, McCusker, and Bitz</label><mixed-citation>
Armour, K. C., Eisenman, I., Blanchard-Wrigglesworth, E., McCusker, K. E., and Bitz, C. M.: The reversibility of sea ice loss in a state-of-the-art climate model, Geophys. Res. Lett., 38, L16705, <a href="https://doi.org/10.1029/2011GL048739" target="_blank">https://doi.org/10.1029/2011GL048739</a>, 2011.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib3"><label>Årthun et al.(2021)Årthun, Onarheim, Dörr, and Eldevik</label><mixed-citation>
Årthun, M., Onarheim, I. H., Dörr, J., and Eldevik, T.: The Seasonal and Regional Transition to an Ice-Free Arctic, Geophys. Res. Lett., 48, e2020GL090825, <a href="https://doi.org/10.1029/2020GL090825" target="_blank">https://doi.org/10.1029/2020GL090825</a>, 2021.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib4"><label>Bathiany et al.(2016)Bathiany, Notz, Mauritsen, Raedel, and Brovkin</label><mixed-citation>
Bathiany, S., Notz, D., Mauritsen, T., Raedel, G., and Brovkin, V.: On the Potential for Abrupt Arctic Winter Sea Ice Loss, J. Climate, 29, 2703–2719, <a href="https://doi.org/10.1175/JCLI-D-15-0466.1" target="_blank">https://doi.org/10.1175/JCLI-D-15-0466.1</a>,  2016.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib5"><label>Björk and Söderkvist(2002)</label><mixed-citation>
Björk, G. and Söderkvist, J.: Dependence of the Arctic Ocean ice thickness distribution on the poleward energy flux in the atmosphere, J. Geophys. Res.-Oceans, 107, 37-1–37-17, <a href="https://doi.org/10.1029/2000JC000723" target="_blank">https://doi.org/10.1029/2000JC000723</a>, 2002.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib6"><label>Cronin and Jansen(2016)</label><mixed-citation>
Cronin, T. W. and Jansen, M. F.: Analytic Radiative-Advective Equilibrium as a Model for High-Latitude Climate, Geophys. Res. Lett., 43, 449–457, <a href="https://doi.org/10.1002/2015GL067172" target="_blank">https://doi.org/10.1002/2015GL067172</a>, 2016.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib7"><label>Dortmans et al.(2019)Dortmans, Langford, and Willms</label><mixed-citation>
Dortmans, B., Langford, W. F., and Willms, A. R.: An energy balance model for paleoclimate transitions, Clim. Past, 15, 493–520, <a href="https://doi.org/10.5194/cp-15-493-2019" target="_blank">https://doi.org/10.5194/cp-15-493-2019</a>, 2019.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib8"><label>Eisenman(2012)</label><mixed-citation>
Eisenman, I.: Factors Controlling the Bifurcation Structure of Sea Ice Retreat, J. Geophys. Res., 117, D01111, <a href="https://doi.org/10.1029/2011JD016164" target="_blank">https://doi.org/10.1029/2011JD016164</a>, 2012.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib9"><label>Eisenman and Wettlaufer(2009)</label><mixed-citation>
Eisenman, I. and Wettlaufer, J. S.: Nonlinear Threshold Behavior During the Loss of Arctic Sea Ice, P. Natl. Acad. Sci. USA, 106, 28–32, <a href="https://doi.org/10.1073/pnas.0806887106" target="_blank">https://doi.org/10.1073/pnas.0806887106</a>, 2009.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib10"><label>Flato and Brown(1996)</label><mixed-citation>
Flato, G. M. and Brown, R. D.: Variability and climate sensitivity of landfast Arctic sea ice, J. Geophys. Res.-Oceans, 101, 25767–25777, <a href="https://doi.org/10.1029/96JC02431" target="_blank">https://doi.org/10.1029/96JC02431</a>, 1996.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib11"><label>Intergovernmental Panel on Climate Change(2013)</label><mixed-citation>
Intergovernmental Panel on Climate Change: Climate Change 2013: The Physical Science Basis, in: Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, edited by: Stocker, T. F., Qin, D., Plattner, G. K., Tignor, M., Allen, S. K., Boschung, J., Nauels, A., Xia, Y., Bex, V., and Midgley, P. M., Cambridge Univ. Press, Cambridge, UK and New York, NY, USA, <a href="https://doi.org/10.1017/CBO9781107415324" target="_blank">https://doi.org/10.1017/CBO9781107415324</a>, 2013.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib12"><label>Kalnay et al.(1996)Kalnay, Kanamitsu, Kistler, Collins, Deavan, Gandin, Iredell, Saha, White, Woollen, Zhu, Chelliah, Ebisuzaki, Higgins, Janowiak, Mo, Ropelewski, Wang, Leetmaa, Reynolds, Jenne, and Joseph</label><mixed-citation>
Kalnay, E., Kanamitsu, M., Kistler, R., Collins, W., Deavan, D., Gandin, L., Iredell, M., Saha, S., White, G., Woollen, J., Zhu, Y., Chelliah, M., Ebisuzaki, W., Higgins, W., Janowiak, J., Mo, K. C., Ropelewski, C., Wang, J., Leetmaa, A., Reynolds, R., Jenne, R., and Joseph, D.: The NCEP/NCAR 40-Year Reanalysis Project, B. Am. Meteorol. Soc., 77, 437–471, <a href="https://doi.org/10.1175/1520-0477(1996)077&lt;0437:TNYRP&gt;2.0.CO;2" target="_blank">https://doi.org/10.1175/1520-0477(1996)077&lt;0437:TNYRP&gt;2.0.CO;2</a>, 1996.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib13"><label>Kuznetsov(2004)</label><mixed-citation>
Kuznetsov, Y.: Elements of Applied Bifurcation Theory, 3rd edn., Springer-Verlag, New York, ISBN:&thinsp;978-0387219066, 2004.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib14"><label>Kypke et al.(2020)Kypke, Langford, and Willms</label><mixed-citation>
Kypke, K. L., Langford, W. F., and Willms, A. R.: Anthropocene climate bifurcation, Nonlin. Processes Geophys., 27, 391–409, <a href="https://doi.org/10.5194/npg-27-391-2020" target="_blank">https://doi.org/10.5194/npg-27-391-2020</a>, 2020.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib15"><label>Langford and Lewis(2009)</label><mixed-citation>
Langford, W. F. and Lewis, G. M.: Poleward expansion of Hadley cells, Can. Appl. Math. Quart., 17, 105–119, 2009.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib16"><label>Lenton et al.(2008)Lenton, Held, Kriegler, Hall, Lucht, Rahmstorf, and Schellnhuber</label><mixed-citation>
Lenton, T. M., Held, H., Kriegler, E., Hall, J. W., Lucht, W., Rahmstorf, S., and Schellnhuber, H. J.: Tipping Elements in the Earth's Climate System, P. Natl. Acad. Sci. USA, 105, 1786–1793, <a href="https://doi.org/10.1073/pnas.0705414105" target="_blank">https://doi.org/10.1073/pnas.0705414105</a>, 2008.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib17"><label>Lewis and Langford(2008)</label><mixed-citation>
Lewis, G. M. and Langford, W. F.: Hysteresis in a rotating differentially heated spherical shell of Boussinesq fluid, SIAM J. Appl. Dyn. Syst., 7, 1421–1444, <a href="https://doi.org/10.1137/070697306" target="_blank">https://doi.org/10.1137/070697306</a>, 2008.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib18"><label>Lutgens and Tarbuck(2019)</label><mixed-citation>
Lutgens, F. K. and Tarbuck, E. J.: The Atmosphere: An Introduction to Meteorology, 14th edn., Pearson Education Inc., Boston, USA, ISBN:&thinsp;9780134758589, 2019.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib19"><label>Mayer et al.(2019)Mayer, Tietsche, Haimberger, Tsubouchi, Mayer, and Zuo</label><mixed-citation>
Mayer, M., Tietsche, S., Haimberger, L., Tsubouchi, T., Mayer, J., and Zuo, H.: An Improved Estimate of the Coupled Arctic Energy Budget, J. Climate, 32, 7915–7934, <a href="https://doi.org/10.1175/JCLI-D-19-0233.1" target="_blank">https://doi.org/10.1175/JCLI-D-19-0233.1</a>, 2019.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib20"><label>Merryfield et al.(2008)Merryfield, Holland, and Monahan</label><mixed-citation>
Merryfield, W. J., Holland, M. M., and Monahan, A. H.: Multiple Equilibria and Abrupt Transitions in Arctic Summer Sea Ice Extent, American Geophysical Union (AGU), 151–174, <a href="https://doi.org/10.1029/180GM11" target="_blank">https://doi.org/10.1029/180GM11</a>, 2008.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib21"><label>Müller-Stoffels and Wackerbauer(2011)</label><mixed-citation>
Müller-Stoffels, M. and Wackerbauer, R.: Regular network model for the sea ice-albedo feedback in the Arctic, Chaos, 21, 013111, <a href="https://doi.org/10.1063/1.3555835" target="_blank">https://doi.org/10.1063/1.3555835</a>, 2011.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib22"><label>National Centers for Environmental Protection/National Weather Service/NOAA/U.S. Department of Commerce(2021)</label><mixed-citation>
National Centers for Environmental Protection/National Weather Service/NOAA/U.S. Department of Commerce: NCEP/NCAR Global  Reanalysis Products, 1948–continuing, updated monthly, Research Data Archive [data set],  <a href="https://psl.noaa.gov/data/gridded/data.ncep.reanalysis.html" target="_blank"/> (last access: November 2021), 1994.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib23"><label>Pierrehumbert(2010)</label><mixed-citation>
Pierrehumbert, R. T.: Principles of Planetary Climate, Cambridge University Press, Cambridge, UK, ISBN:&thinsp;978-0-521-86556-2, 2010.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib24"><label>Ridley et al.(2008)Ridley, Lowe, and Simonin</label><mixed-citation>
Ridley, J., Lowe, J., and Simonin, D.: The demise of Arctic sea ice during stabilisation at high greenhouse gas concentrations, Clim. Dynam., 30, 333–341, <a href="https://doi.org/10.1007/s00382-007-0291-4" target="_blank">https://doi.org/10.1007/s00382-007-0291-4</a>, 2008.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib25"><label>Russill(2015)</label><mixed-citation>
Russill, C.: Climate Change Tipping Points: Origins, Precursors, and Debates, WIREs Clim. Change, 6, 427–434, <a href="https://doi.org/10.1002/wcc.344" target="_blank">https://doi.org/10.1002/wcc.344</a>, 2015.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib26"><label>Schmidt et al.(2010)</label><mixed-citation>
Schmidt, G. A., Ruedy, R. A., Miller, R. L., and Lacis, A. A.: Attribution of the present-day total greenhouse effect, J. Geophys. Res., 115, D20106, <a href="https://doi.org/10.1029/2010JD014287" target="_blank">https://doi.org/10.1029/2010JD014287</a>, 2010.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib27"><label>Schröder and Connolley(2007)</label><mixed-citation>
Schröder, D. and Connolley, W. M.: Impact of instantaneous sea ice removal in a coupled general circulation model, Geophys. Res. Lett., 34, L14502, <a href="https://doi.org/10.1029/2007GL030253" target="_blank">https://doi.org/10.1029/2007GL030253</a>, 2007.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib28"><label>Serreze et al.(2007)Serreze, Barrett, Slater, Steele, Zhang, and Trenberth</label><mixed-citation>
Serreze, M. C., Barrett, A. P., Slater, A. G., Steele, M., Zhang, J., and Trenberth, K. E.: The large-scale energy budget of the Arctic, J. Geophys. Res., 112, D11122, <a href="https://doi.org/10.1029/2006JD008230" target="_blank">https://doi.org/10.1029/2006JD008230</a>, 2007.

</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib29"><label>Stroeve et al.(2014)Stroeve, Markus, Boisvert, Miller, and Barrett</label><mixed-citation>
Stroeve, J. C., Markus, T., Boisvert, L., Miller, J., and Barrett, A.: Changes in Arctic melt season and implications for sea ice loss, Geophys. Res. Lett., 41, 1216–1225, <a href="https://doi.org/10.1002/2013GL058951" target="_blank">https://doi.org/10.1002/2013GL058951</a>, 2014.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib30"><label>Thorndike(1992)</label><mixed-citation>
Thorndike, A. S.: A toy model linking atmospheric thermal radiation and sea ice growth, J. Geophys. Res.-Oceans, 97, 9401–9410, <a href="https://doi.org/10.1029/92JC00695" target="_blank">https://doi.org/10.1029/92JC00695</a>, 1992.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib31"><label>Tietsche et al.(2011)Tietsche, Notz, Jungclaus, and Marotzke</label><mixed-citation>
Tietsche, S., Notz, D., Jungclaus, J. H., and Marotzke, J.: Recovery mechanisms of Arctic summer sea ice, Geophys. Res. Lett., 38, L02707, <a href="https://doi.org/10.1029/2010GL045698" target="_blank">https://doi.org/10.1029/2010GL045698</a>, 2011.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib32"><label>van Groesen and Molenaar(2017)</label><mixed-citation>
van Groesen, E. and Molenaar, J.: Continuum Modeling in the Physical Sciences, SIAM, Philadelphia, USA, ISBN:&thinsp;978-0-898716-25-2 2017.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib33"><label>van Vuuren et al.(2011)van Vuuren, Edmonds, Kainuma, Riahi, Thomson, Hibbard, Hurtt, Kram, Krey, Lamarque, Masui, Meinshausen, Nakicenovic, Smith, and Rose</label><mixed-citation>
van Vuuren, D. P., Edmonds, J., Kainuma, M., Riahi, K., Thomson, A., Hibbard, K., Hurtt, G. C., Kram, T., Krey, V., Lamarque, J.-F., Masui, T., Meinshausen, M., Nakicenovic, N., Smith, S. J., and Rose, S. K.: The Representative Concentration Pathways: An Overview, Clim. Change, 109, 5–31, <a href="https://doi.org/10.1007/s10584-011-0148-z " target="_blank">https://doi.org/10.1007/s10584-011-0148-z </a>, 2011.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib34"><label>Wild et al.(2013)Wild, Folini, Schär, Loeb, Dutton, and König-Langlo</label><mixed-citation>
Wild, M., Folini, D., Schär, C., Loeb, N., Dutton, E. G., and König-Langlo, G.: The global energy balance from a surface perspective, Clim. Dynam., 40, 3107–3134, <a href="https://doi.org/10.1007/s00382-012-1569-8" target="_blank">https://doi.org/10.1007/s00382-012-1569-8</a>, 2013.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib35"><label>Winton(2006)</label><mixed-citation>
Winton, M.: Does the Arctic sea ice have a tipping point?, Geophys. Res. Lett., 33, L23504, <a href="https://doi.org/10.1029/2006GL028017" target="_blank">https://doi.org/10.1029/2006GL028017</a>, 2006.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib36"><label>Winton(2008)</label><mixed-citation>
Winton, M.: Sea Ice–Albedo Feedback and Nonlinear Arctic Climate Change, American Geophysical Union (AGU), 111–131, <a href="https://doi.org/10.1029/180GM09" target="_blank">https://doi.org/10.1029/180GM09</a>, 2008.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib37"><label>Zheng et al.(2021)Zheng, Cheng, Chen, and Liang</label><mixed-citation>
Zheng, L., Cheng, X., Chen, Z., and Liang, Q.: Delay in Arctic Sea Ice Freeze-Up Linked to Early Summer Sea Ice Loss: Evidence from Satellite Observations, Remote Sens., 13, 2162, <a href="https://doi.org/10.3390/rs13112162" target="_blank">https://doi.org/10.3390/rs13112162</a>, 2021.
</mixed-citation></ref-html>--></article>
