<?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{\newtheorem{theorem}{Theorem}}?><?xmltex \bartext{Research article}?><?xmltex \hack{\allowdisplaybreaks}?>
  <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-30-237-2023</article-id><title-group><article-title>Physically constrained covariance inflation from <?xmltex \hack{\break}?>location uncertainty</article-title><alt-title>Physically constrained covariance inflation</alt-title>
      </title-group><?xmltex \runningtitle{Physically constrained covariance inflation}?><?xmltex \runningauthor{Y. Zhen et al.}?>
      <contrib-group>
        <contrib contrib-type="author" corresp="yes" rid="aff1">
          <name><surname>Zhen</surname><given-names>Yicun</given-names></name>
          <email>zhenyicun@proton.me</email>
        </contrib>
        <contrib contrib-type="author" corresp="no" rid="aff2 aff3">
          <name><surname>Resseguier</surname><given-names>Valentin</given-names></name>
          
        <ext-link>https://orcid.org/0000-0002-9301-9493</ext-link></contrib>
        <contrib contrib-type="author" corresp="no" rid="aff4">
          <name><surname>Chapron</surname><given-names>Bertrand</given-names></name>
          
        </contrib>
        <aff id="aff1"><label>1</label><institution>College of Oceanography, Hohai University, Nanjing, China</institution>
        </aff>
        <aff id="aff2"><label>2</label><institution>LAB SCALIAN DS, Rennes, France</institution>
        </aff>
        <aff id="aff3"><label>3</label><institution>INRAE, OPAALE, Rennes, France</institution>
        </aff>
        <aff id="aff4"><label>4</label><institution>Laboratoire d’Océanographie Physique et Spatiale, Ifremer, Plouzaé, France</institution>
        </aff>
      </contrib-group>
      <author-notes><corresp id="corr1">Yicun Zhen (zhenyicun@proton.me)</corresp></author-notes><pub-date><day>29</day><month>June</month><year>2023</year></pub-date>
      
      <volume>30</volume>
      <issue>2</issue>
      <fpage>237</fpage><lpage>251</lpage>
      <history>
        <date date-type="received"><day>6</day><month>March</month><year>2023</year></date>
           <date date-type="rev-request"><day>9</day><month>March</month><year>2023</year></date>
           <date date-type="rev-recd"><day>13</day><month>May</month><year>2023</year></date>
           <date date-type="accepted"><day>23</day><month>May</month><year>2023</year></date>
      </history>
      <permissions>
        <copyright-statement>Copyright: © 2023 Yicun Zhen et al.</copyright-statement>
        <copyright-year>2023</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/30/237/2023/npg-30-237-2023.html">This article is available from https://npg.copernicus.org/articles/30/237/2023/npg-30-237-2023.html</self-uri><self-uri xlink:href="https://npg.copernicus.org/articles/30/237/2023/npg-30-237-2023.pdf">The full text article is available as a PDF file from https://npg.copernicus.org/articles/30/237/2023/npg-30-237-2023.pdf</self-uri>
      <abstract><title>Abstract</title>

      <p id="d1e124">Motivated by the concept of “location uncertainty”, initially introduced in <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx26" id="text.1"/>, a scheme is sought to perturb the “location” of a state variable at every forecast time step. Further considering Brenier's theorem <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx3" id="paren.2"/>, asserting that the difference of two positive density fields on the same domain can be represented by a transportation map, we demonstrate that the perturbations  consistently define a stochastic partial differential equation (SPDE) from the original PDE. It ensues that certain quantities, up to the user, are conserved at every time step. Remarkably, derivations following both the SALT (stochastic advection by Lie transport; <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx14" id="altparen.3"/>) and LU (location uncertainty; <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx26 bib1.bibx35" id="altparen.4"/>) settings can be recovered from this perturbation scheme. Still, it offers broader applicability since it does not explicitly rely on Lagrangian mechanics or Newton's laws of force. For illustration, a stochastic version of the thermal shallow water equation is presented.</p>
  </abstract>
    
<funding-group>
<award-group id="gs1">
<funding-source>Agence Nationale de la Recherche</funding-source>
<award-id>Melody</award-id>
</award-group>
<award-group id="gs2">
<funding-source>European Research Council</funding-source>
<award-id>856408-STUOD</award-id>
</award-group>
</funding-group>
</article-meta>
  </front>
<body>
      

<sec id="Ch1.S1" sec-type="intro">
  <label>1</label><title>Introduction</title>
      <p id="d1e148">Data assimilation is meant to extract information from measurements to improve the state estimate. Kalman-filter-based and particle-filter-based methods are now commonly used for academic studies and operational forecasts. For both methods, the estimate of a state variable and the uncertainty quantification of the estimate of a state variable are repeated at each data assimilation cycle. In the classical Kalman filter, this uncertainty is represented by a covariance matrix. In Monte Carlo-based methods (i.e., the ensemble Kalman filters and particle filters, etc.), it is represented by the spread of the ensemble members or particles. The uncertainty of the state estimate is further part of the input for the next data assimilation cycle. Frequently observed, the uncertainty can be underestimated in nonlinear numerical experiments when there is no model noise <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx41 bib1.bibx12 bib1.bibx10" id="paren.5"/>. As a consequence, the state estimate in the subsequent time steps may not be efficiently adjusted by the physical measurements: the system is over-confident about its current state estimate. This phenomenon is usually referred to as filter divergence, possibly associated with the “curse of dimensionality” (see for instance <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx7" id="altparen.6"/>).</p>
      <p id="d1e157">To address the latter issue, “covariance localization” has been developed for both Kalman-filter-based methods and particle filters <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx16 bib1.bibx32" id="paren.7"/>. To further mitigate filter divergence, a practical strategy is to inflate the uncertainty estimate at each forecast time step or each data assimilation cycle <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx1 bib1.bibx43 bib1.bibx24 bib1.bibx18 bib1.bibx45 bib1.bibx28 bib1.bibx33 bib1.bibx46" id="paren.8"/>. For geophysical applications, the uncertainty is then often inflated by rescaling the ensemble covariance in order to match bias and variance.
A natural alternative is the addition of noise in the dynamical equations.</p>
      <?pagebreak page238?><p id="d1e166">In the context of ensemble-/particle-based methods, the uncertainty is usually inflated by artificially perturbing each ensemble member/particle.
We refer the reader to <?xmltex \hack{\mbox\bgroup}?><xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx38" id="text.9"/><?xmltex \hack{\egroup}?> for a review on the subject.
It is then a natural question to ask whether there is a mathematical principle to guide this uncertainty inflation.</p>
      <p id="d1e174">In the fluid dynamics community, random forcings are not introduced for inflation but to mimic the intermittent backscattering of energy from small scales toward large scales. Among those approaches, we may mention the stochastic Lagrangian models <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx31" id="paren.10"/> and the Eulerian Gaussian backscatterings of the EDQNM (eddy damped quasi-normal Markovian; <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx29 bib1.bibx20" id="altparen.11"/>) model.
Additive noise models, like the linear inverse models <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx30" id="paren.12"/>, have then also been proposed for filtering purposes and have been thoroughly reviewed by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx42" id="text.13"/>.
Most methods mainly focus on comparing the estimated uncertainty and the statistics of the innovation process but ignore other mathematical/physical aspects (for instance, conservation laws).
Other empirical approaches, referred to as the SPPT (stochastically perturbed parametrization tendency; <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx5" id="altparen.14"/>) scheme and the SKEBS (stochastic kinetic energy backscatter; <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx2" id="altparen.15"/>) scheme, introduce multiplicative noise, with success in operational weather and climate forecast centers <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx10" id="paren.16"/>. Still many drawbacks have been reported, above all violations of conservation laws <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx39 bib1.bibx23" id="paren.17"/>.
Recently, the operational ocean circulation model NEMO has also been randomized <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx22" id="paren.18"><named-content content-type="pre">e.g.</named-content></xref> but, again, without consideration of conservation.</p>
      <p id="d1e208">Several authors proposed schemes specifically to enforce energy conservation or at least a given energy budget <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx40 bib1.bibx11 bib1.bibx38" id="paren.19"><named-content content-type="pre">e.g.</named-content></xref>. To better constrain non-Gaussian schemes, many authors rely on physics and possibly on time-scale separation. Introduced by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx13" id="text.20"/>, it is generally associated with the rigorous theories of averaging and homogenization.
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx25" id="text.21"/> decomposed the state variable into slow-varying modes <inline-formula><mml:math id="M1" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and fast-varying modes <inline-formula><mml:math id="M2" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The authors demonstrated that the interaction term between <inline-formula><mml:math id="M3" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M4" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, in the equation for <inline-formula><mml:math id="M5" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, can be modeled as a stochastic process solely in terms of <inline-formula><mml:math id="M6" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>'s, as the ratio of the timescales of <inline-formula><mml:math id="M7" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M8" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> tends to <inline-formula><mml:math id="M9" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:math></inline-formula>. Nevertheless, homogenization methods, like <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx25" id="text.22"/>, may also lead to violation of energy conservation, even though some workarounds exist <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx9 bib1.bibx17" id="paren.23"/>.</p>
      <p id="d1e325">In <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx4" id="text.24"/>, later modified in <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx27" id="text.25"/>, <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx8" id="text.26"/>, <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx26" id="text.27"/>, and <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx35 bib1.bibx38" id="text.28"/>, preservation of kinetic energy is specifically emphasized. The true velocity of an incompressible flow is decomposed into a regular component and a turbulent one and the latter modeled by a stochastic noise. <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx27" id="text.29"/> and <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx26" id="text.30"/> further derived stochastic Navier–Stokes equations.
For these two approaches, the large-scale advecting velocity differs, induced by different regularization of Newton' second law. Following another path, considering Hamilton’s principle with a stochastic advection constraint on Lagrangian fluid trajectories, <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx14" id="text.31"/> also proposed a consistent stochastic setting, i.e., stochastic advection by Lie transport (SALT). In particular, this derivation preserves Kelvin's circulation.
Similarities and differences between these different stochastic frameworks are discussed in <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx37" id="text.32"/>.</p>
      <p id="d1e356">From another perspective, the classical optimal transport theory suggests that the difference of two smooth positive density fields (<inline-formula><mml:math id="M10" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M11" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) on a bounded domain <inline-formula><mml:math id="M12" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:math></inline-formula> can be described by a transportation map: <inline-formula><mml:math id="M13" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. More specifically, there exists a diffeomorphism <inline-formula><mml:math id="M14" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> of <inline-formula><mml:math id="M15" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:math></inline-formula> to transform <inline-formula><mml:math id="M16" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math id="M17" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> under the diffeomorphism <inline-formula><mml:math id="M18" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> with a minimal cost. Broadly speaking, <inline-formula><mml:math id="M19" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> can be interpreted as how much <inline-formula><mml:math id="M20" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> differs from <inline-formula><mml:math id="M21" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M22" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> operates as a location correction. Indeed, starting from the same initial condition <inline-formula><mml:math id="M23" display="inline"><mml:mrow><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>, suppose that <inline-formula><mml:math id="M24" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mtext>model</mml:mtext></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the model forecast and <inline-formula><mml:math id="M25" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><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:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the true forecast. The additional uncertainty of <inline-formula><mml:math id="M26" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> due to model error can then be represented by a random <inline-formula><mml:math id="M27" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>. It further suggests that the inflation of uncertainty can be achieved by casting a random <inline-formula><mml:math id="M28" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> on each ensemble member/particle.</p>
      <p id="d1e582">Motivated by such an optimal transport perspective and the concept of “location uncertainty”, proposed in <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx26" id="text.33"/>, a new strategy can thus seek to design a well-constrained “location perturbation” of the state variable.</p>
      <p id="d1e588">Specifically, the idea of covariance inflation can be informally generalized to physical fields that are not always positive, i.e., physical fields other than the density field. Mathematically, a density field <inline-formula><mml:math id="M29" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is naturally associated with a differential <inline-formula><mml:math id="M30" display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> form <inline-formula><mml:math id="M31" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M32" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">dim</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The statement “<inline-formula><mml:math id="M33" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> transforms to <inline-formula><mml:math id="M34" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> under the diffeomorphism <inline-formula><mml:math id="M35" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>” is equivalent to the mathematical relation <inline-formula><mml:math id="M36" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M37" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, acting on all differential forms, is the pull-back operator induced by <inline-formula><mml:math id="M38" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> or, equivalently, <inline-formula><mml:math id="M39" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Therefore, a random <inline-formula><mml:math id="M40" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> (or equivalently, <inline-formula><mml:math id="M41" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>T</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>) could induce a perturbation of any differential <inline-formula><mml:math id="M42" display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> form.</p>
      <p id="d1e779">To implement a physically constrained perturbation scheme, the state variable <inline-formula><mml:math id="M43" display="inline"><mml:mi>S</mml:mi></mml:math></inline-formula> under consideration must then be associated with some differential form <inline-formula><mml:math id="M44" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, i.e., construct a one-to-one correspondence between snapshots of <inline-formula><mml:math id="M45" display="inline"><mml:mi>S</mml:mi></mml:math></inline-formula> and snapshots of <inline-formula><mml:math id="M46" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Note that this can be generalized to other types of tensor fields.</p>
      <p id="d1e811">It will be demonstrated (Sect. 5) that it is indeed sometimes helpful to choose <inline-formula><mml:math id="M47" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> to be a contravariant tensor field other than differential forms. Yet, it must be stressed that associating the state variable <inline-formula><mml:math id="M48" display="inline"><mml:mi>S</mml:mi></mml:math></inline-formula> with a differential form <inline-formula><mml:math id="M49" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a key important step.</p>
      <p id="d1e835">Correspondingly, at each forecast time step, the covariance inflation should follow four steps.
<list list-type="bullet"><list-item>
      <p id="d1e840">Step 1: find <inline-formula><mml:math id="M50" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> based on <inline-formula><mml:math id="M51" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></list-item><list-item>
      <p id="d1e872">Step 2: construct a random diffeomorphism <inline-formula><mml:math id="M52" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></list-item><list-item>
      <p id="d1e892">Step 3: replace <inline-formula><mml:math id="M53" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math id="M54" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and calculate <inline-formula><mml:math id="M55" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> based on the new value of <inline-formula><mml:math id="M56" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></list-item><list-item>
      <p id="d1e957">Step 4: calculate the forecast <inline-formula><mml:math id="M57" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> based on the new value of <inline-formula><mml:math id="M58" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></list-item></list></p>
      <p id="d1e994">Associating <inline-formula><mml:math id="M59" display="inline"><mml:mi>S</mml:mi></mml:math></inline-formula> with different <inline-formula><mml:math id="M60" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> shall then be constrained by different conservation laws for the perturbation scheme. More precisely, certain physical quantities are conserved in step 3, no matter how <inline-formula><mml:math id="M61" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> is constructed or realized in step 2. We emphasize that the conservation law of the perturbation scheme merely depends on the choice of <inline-formula><mml:math id="M62" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> but is independent of the dynamics of the original deterministic system. A resulting stochastic partial differential equation (SPDE) will conserve a given quantity only if both the perturbation scheme and the original deterministic system conserve that quantity. We also remark that this scheme can not conserve all the physical quantities at the same time unless additional constraints upon the parameters are imposed. Hence the users must choose by themselves which physical quantity to conserve.</p>
      <p id="d1e1025">In summary, the key perspective of this paper is that the displacement vector field of physical state variables should be determined by the tensor fields associated with the physical fields. The advantage of this perspective is that certain physical quantities can be conserved while applying a displacement vector field to transfer the original physical field. A direct application of this perspective is the physically constrained covariance inflation scheme proposed in this paper. When the tensor fields are positive <inline-formula><mml:math id="M63" display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> forms on a bounded domain that have the same total mass, Brenier's theorem shows that the “optimal” displacement vector field exists and is unique, for a given cost function. In this case, the optimality of displacement vector field is well-defined. In other cases, the issue of “optimality” together with the existence and uniqueness of the optimal displacement vector field need to be carefully explored. We reserve this for future study.</p>
      <p id="d1e1035">This paper is organized as follows. Section 2 is a brief introduction of optimal transport theory. In Sect. 3 we present the perturbation scheme in detail, including the motivation, the specific techniques in derivation, and several examples. In Sect. 4, the resulting perturbation scheme is then compared with the stochastic advection by Lie transport (SALT) equations <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx14" id="paren.34"/> and the location uncertainty (LU) equations <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx26" id="paren.35"/>. For properly chosen <inline-formula><mml:math id="M64" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M65" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, it is demonstrated that both SALT and LU settings are recovered within the proposed framework. To illustrate our purpose, a stochastic version of the thermal shallow water equation is then derived in Sect. 5. A final conclusion and discussion is given in Sect. 6.</p>
      <p id="d1e1062">The conventions of notation are as follows:
<list list-type="bullet"><list-item>
      <p id="d1e1067">The letter <inline-formula><mml:math id="M66" display="inline"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula> only refer to the <inline-formula><mml:math id="M67" display="inline"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula>th independent Brownian motion. The letters <inline-formula><mml:math id="M68" display="inline"><mml:mi>p</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M69" display="inline"><mml:mi>q</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M70" display="inline"><mml:mi>j</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M71" display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> refer to the components if <inline-formula><mml:math id="M72" display="inline"><mml:mi>p</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M73" display="inline"><mml:mi>q</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M74" display="inline"><mml:mi>j</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M75" display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> are upper indices.</p></list-item><list-item>
      <p id="d1e1142">For Einstein's convention on summation (applies to all indices except <inline-formula><mml:math id="M76" display="inline"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M77" display="inline"><mml:mi>j</mml:mi></mml:math></inline-formula>), if <inline-formula><mml:math id="M78" display="inline"><mml:mi>p</mml:mi></mml:math></inline-formula> is shown in both upper and lower indices, then the summation over <inline-formula><mml:math id="M79" display="inline"><mml:mi>p</mml:mi></mml:math></inline-formula> automatically applies.</p></list-item><list-item>
      <p id="d1e1174">Summation over <inline-formula><mml:math id="M80" display="inline"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M81" display="inline"><mml:mi>j</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M82" display="inline"><mml:mi>p</mml:mi></mml:math></inline-formula> automatically applies in all equations. For instance, <inline-formula><mml:math id="M83" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> refers to <inline-formula><mml:math id="M84" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M85" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> refers to <inline-formula><mml:math id="M86" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></list-item></list></p>
</sec>
<?pagebreak page239?><sec id="Ch1.S2">
  <label>2</label><title>Monge's formulation of optimal transport problem and Brenier's answer</title>
      <p id="d1e1261">Hereafter we briefly summarize some necessary concepts and results in optimal transport theory. Let <inline-formula><mml:math id="M87" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:math></inline-formula> be a bounded domain in a <inline-formula><mml:math id="M88" display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula>-dimensional Euclidean space.</p>
      <p id="d1e1278"><bold>Definition 2.0.1</bold> (Monge's optimal transport problem).
Given the cost function <inline-formula><mml:math id="M89" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and probability measures <inline-formula><mml:math id="M90" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
          <disp-formula id="Ch1.E1" content-type="numbered"><label>1</label><mml:math id="M91" display="block"><mml:mrow><mml:mtext>minimize </mml:mtext><mml:mi mathvariant="double-struck">M</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        over <inline-formula><mml:math id="M92" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:math></inline-formula> measurable maps <inline-formula><mml:math id="M93" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> subject to <inline-formula><mml:math id="M94" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">no</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d1e1423">Here the probability measures <inline-formula><mml:math id="M95" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M96" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi></mml:math></inline-formula> are interpreted as mass distributions with total mass equal to 1. The map <inline-formula><mml:math id="M97" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> is called a transport plan which moves the mass <inline-formula><mml:math id="M98" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at location <inline-formula><mml:math id="M99" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> to location <inline-formula><mml:math id="M100" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, with the cost <inline-formula><mml:math id="M101" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> per unit of mass. Therefore the quantity <inline-formula><mml:math id="M102" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">M</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the total cost of the transport plan <inline-formula><mml:math id="M103" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The constraint <inline-formula><mml:math id="M104" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">no</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is interpreted as <inline-formula><mml:math id="M105" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> transporting the mass distribution <inline-formula><mml:math id="M106" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:math></inline-formula> to the mass distribution <inline-formula><mml:math id="M107" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi></mml:math></inline-formula>.
In the case that <inline-formula><mml:math id="M108" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a diffeomorphism and that both <inline-formula><mml:math id="M109" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M110" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:math></inline-formula> have smooth densities, i.e., assuming that <inline-formula><mml:math id="M111" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M112" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for some smooth functions <inline-formula><mml:math id="M113" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> on <inline-formula><mml:math id="M114" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:math></inline-formula>,

              <disp-formula id="Ch1.E2" content-type="numbered"><label>2</label><mml:math id="M115" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">no</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>⟺</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        where <inline-formula><mml:math id="M116" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> refers to the Jacobian matrix of <inline-formula><mml:math id="M117" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> at <inline-formula><mml:math id="M118" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>. If we associate <inline-formula><mml:math id="M119" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M120" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:math></inline-formula> with differential <inline-formula><mml:math id="M121" display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> forms <inline-formula><mml:math id="M122" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">⋯</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M123" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">⋯</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, then
          <disp-formula id="Ch1.E3" content-type="numbered"><label>3</label><mml:math id="M124" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">no</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>⟺</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d1e1911"><xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx3" id="text.36"/> proved the existence and uniqueness of the solution to Monge's optimal transport problem for <inline-formula><mml:math id="M125" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:msup><mml:mo>|</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
To better illustrate how optimal transport theory motivates us, we consider the following simplified version of Brenier's theorem.
<statement id="Ch1.Th1" content-type="theorem"><label>1</label><title>Brenier, simplified version</title>
      <p id="d1e1953"><italic>Let <inline-formula><mml:math id="M126" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M127" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi></mml:math></inline-formula> be measures with bounded smooth density on a bounded domain <inline-formula><mml:math id="M128" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">⊂</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Let <inline-formula><mml:math id="M129" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">)</mml:mo><mml:mo mathvariant="normal">=</mml:mo><mml:mo mathvariant="normal">|</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">-</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:msup><mml:mo mathvariant="normal">|</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Then there is a convex function <inline-formula><mml:math id="M130" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">:</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">→</mml:mo><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, such that <inline-formula><mml:math id="M131" display="inline"><mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:msub><mml:mo mathvariant="normal">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">no</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">.</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. And <inline-formula><mml:math id="M132" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">:</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">→</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mrow/><mml:msub><mml:mo mathvariant="normal">|</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, defined <inline-formula><mml:math id="M133" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">-</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> almost everywhere, is the unique solution to Monge's optimal transport problem.</italic></p></statement></p>
      <p id="d1e2104">The convexity of <inline-formula><mml:math id="M134" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:math></inline-formula> implies that the map <inline-formula><mml:math id="M135" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is one to one. Broadly speaking, Brenier's theorem implies that the difference of two density fields can be represented by a transportation map <inline-formula><mml:math id="M136" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p>
</sec>
<?pagebreak page240?><sec id="Ch1.S3">
  <label>3</label><title>The perturbation scheme</title>
      <p id="d1e2139">Consider a compressible flow on a bounded domain <inline-formula><mml:math id="M137" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Let <inline-formula><mml:math id="M138" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:math></inline-formula> denote the density field. Let <inline-formula><mml:math id="M139" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mtext>model</mml:mtext></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M140" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mtext>true</mml:mtext></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be the model forecast and the true forecast starting from the same density field at time <inline-formula><mml:math id="M141" display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula>. If we assume that the model forecast and the truth have the same total mass, Brenier's theorem says that there exists a diffeomorphism <inline-formula><mml:math id="M142" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, so that
          <disp-formula id="Ch1.E4" content-type="numbered"><label>4</label><mml:math id="M143" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mtext>true</mml:mtext></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mtext>model</mml:mtext></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        Note that the transportation <inline-formula><mml:math id="M144" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> hereinafter is equivalent to the mapping <inline-formula><mml:math id="M145" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>T</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> used in the Introduction. Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E4"/>) can further be written in terms of differential form. Let <inline-formula><mml:math id="M146" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, then Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E4"/>) is equivalent to
          <disp-formula id="Ch1.E5" content-type="numbered"><label>5</label><mml:math id="M147" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mtext>model</mml:mtext></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mtext>true</mml:mtext></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        For general differential forms <inline-formula><mml:math id="M148" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, it is unclear whether a diffeomorphism <inline-formula><mml:math id="M149" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> always exists that satisfies Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E5"/>). However, Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E5"/>) provides us with a tool for covariance inflation by constructing a random <inline-formula><mml:math id="M150" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> at every infinitesimal time step.</p>
      <p id="d1e2438">At each time step we construct a small perturbation <inline-formula><mml:math id="M151" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>:
          <disp-formula id="Ch1.E6" content-type="numbered"><label>6</label><mml:math id="M152" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        where <inline-formula><mml:math id="M153" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>∈</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M154" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a random number. Essentially, <inline-formula><mml:math id="M155" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be interpreted as a “location error” caused by the model error. In Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E6"/>), <inline-formula><mml:math id="M156" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> refers to a systematic location error, and <inline-formula><mml:math id="M157" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> refers to a random location error.</p>
      <p id="d1e2664">Stated in the Introduction, the state variable <inline-formula><mml:math id="M158" display="inline"><mml:mi>S</mml:mi></mml:math></inline-formula> must first be associated with a differential form <inline-formula><mml:math id="M159" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Then at every time step, <inline-formula><mml:math id="M160" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> induces a perturbation of <inline-formula><mml:math id="M161" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>  by <inline-formula><mml:math id="M162" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>→</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. It hence induces a perturbation of the state variable <inline-formula><mml:math id="M163" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. A forecast is then performed based on the perturbed state. Consequently, this perturbation scheme derives an SPDE from the original PDE.</p>
      <p id="d1e2752">This procedure can also be generalized to other types of tensor fields. We refer to <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx6" id="text.37"/> for a rigorous definition of the tensor fields and the wedge algebra. For instance, we may choose <inline-formula><mml:math id="M164" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M165" display="inline"><mml:mrow><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> forms a global basis of the tangent field. Then <inline-formula><mml:math id="M166" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> induces a perturbation of <inline-formula><mml:math id="M167" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> by <inline-formula><mml:math id="M168" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>→</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M169" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the push-forward operator induced by <inline-formula><mml:math id="M170" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In Sect. 5, such a generalization is found useful in the example of thermal shallow water equation.</p>
      <p id="d1e2901"><bold>Remark 1.</bold>
When <inline-formula><mml:math id="M171" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a mixture of covariant and contravariant tensor fields, the perturbation scheme is slightly more complicated. Assume that <inline-formula><mml:math id="M172" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>:</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>→</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a diffeomorphism, and <inline-formula><mml:math id="M173" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>⊗</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M174" display="inline"><mml:mi>v</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M175" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:math></inline-formula> are contravariant or covariant tensor fields respectively on <inline-formula><mml:math id="M176" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Then <inline-formula><mml:math id="M177" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a covariant tensor field on <inline-formula><mml:math id="M178" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. However, <inline-formula><mml:math id="M179" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can not directly induce a contravariant tensor field on <inline-formula><mml:math id="M180" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In order to get a tensor field on <inline-formula><mml:math id="M181" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we consider <inline-formula><mml:math id="M182" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>:</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>→</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and apply the push-forward operator on <inline-formula><mml:math id="M183" display="inline"><mml:mi>v</mml:mi></mml:math></inline-formula>. In sum, we may define the perturbation to be
          <disp-formula id="Ch1.E7" content-type="numbered"><label>7</label><mml:math id="M184" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>→</mml:mo><mml:mrow/><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow/><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>⊗</mml:mo><mml:mrow/><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mrow/><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S1"/> derives the expression of <inline-formula><mml:math id="M185" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> directly from the expression of <inline-formula><mml:math id="M186" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
<sec id="Ch1.S3.SS1">
  <label>3.1</label><?xmltex \opttitle{Calculation of $T_{t}^{*}\theta$ (or $T_{{t*}}\theta$)}?><title>Calculation of <inline-formula><mml:math id="M187" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (or <inline-formula><mml:math id="M188" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>)</title>
      <p id="d1e3206">A rigorous mathematical definition and calculation of <inline-formula><mml:math id="M189" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M190" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> should be given in terms of stochastic flows of diffeomorphisms and its Lie derivatives. A brief discussion of the relationship between <inline-formula><mml:math id="M191" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the Lie derivative is given in Sect. 4.1. We further refer to <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx21" id="text.38"/> for a detailed definition of the Lie derivative.
Yet, to rapidly assess <inline-formula><mml:math id="M192" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (or <inline-formula><mml:math id="M193" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), a Taylor expansion and It<inline-formula><mml:math id="M194" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mtext>o</mml:mtext><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>'s lemma can be used.</p>
      <p id="d1e3291">Given coordinates <inline-formula><mml:math id="M195" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, when <inline-formula><mml:math id="M196" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a differential <inline-formula><mml:math id="M197" display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> form, it can be written as
            <disp-formula id="Ch1.E8" content-type="numbered"><label>8</label><mml:math id="M198" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          Then
            <disp-formula id="Ch1.E9" content-type="numbered"><label>9</label><mml:math id="M199" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          Given in Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S2"/>, a Taylor expansion and Itô's lemma are applied to expand <inline-formula><mml:math id="M200" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, leading us to
compactly write

                <disp-formula id="Ch1.E10" content-type="numbered"><label>10</label><mml:math id="M201" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          for some differential <inline-formula><mml:math id="M202" display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> forms <inline-formula><mml:math id="M203" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M204" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Hereafter, several examples of <inline-formula><mml:math id="M205" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are presented.</p>
      <p id="d1e3658">The full derivation of these examples is skipped.
We further express all the terms in coordinates. For instance, we replace <inline-formula><mml:math id="M206" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>〈</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>〉</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math id="M207" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where, by convention of notation, <inline-formula><mml:math id="M208" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Similarly, <inline-formula><mml:math id="M209" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⊤</mml:mo></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is replaced with <inline-formula><mml:math id="M210" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d1e3812"><bold>Remark 2.</bold>
When <inline-formula><mml:math id="M211" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a contravariant tensor field,
            <disp-formula id="Ch1.E11" content-type="numbered"><label>11</label><mml:math id="M212" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          The formula for <inline-formula><mml:math id="M213" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is derived in Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S1"/>. Then the expression of <inline-formula><mml:math id="M214" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M215" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M216" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be derived step by step in a similar way to that in the Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S2"/>.</p>
      <p id="d1e4075"><bold>Example 3.1.1</bold>
When <inline-formula><mml:math id="M217" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a function (differential <inline-formula><mml:math id="M218" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:math></inline-formula> form),
            <disp-formula id="Ch1.E12" content-type="numbered"><label>12</label><mml:math id="M219" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow/><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</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:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow/><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <?pagebreak page241?><p id="d1e4230"><bold>Example 3.1.2</bold>
When <inline-formula><mml:math id="M220" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
            <disp-formula id="Ch1.E13" content-type="numbered"><label>13</label><mml:math id="M221" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow/><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow/><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></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:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mrow/><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mrow/><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          where <inline-formula><mml:math id="M222" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d1e4449"><bold>Example 3.1.3</bold>
When <inline-formula><mml:math id="M223" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
            <disp-formula id="Ch1.E14" content-type="numbered"><label>14</label><mml:math id="M224" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow/><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow/><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></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:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow/><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mrow/><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d1e4733"><bold>Example 3.1.4</bold>
When <inline-formula><mml:math id="M225" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (note that by the convention of notation, <inline-formula><mml:math id="M226" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>),
            <disp-formula id="Ch1.E15" content-type="numbered"><label>15</label><mml:math id="M227" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow/><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></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:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mrow/><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d1e5046"><bold>Example 3.1.5</bold>
When <inline-formula><mml:math id="M228" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
            <disp-formula id="Ch1.E16" content-type="numbered"><label>16</label><mml:math id="M229" display="block"><mml:mrow><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow/><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow/><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></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:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</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:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow/><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mrow/><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
</sec>
<sec id="Ch1.S3.SS2">
  <label>3.2</label><title>Derivation of the SPDE</title>
      <p id="d1e5392">Suppose <inline-formula><mml:math id="M230" display="inline"><mml:mi>S</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the full state variable of the dynamical system:
            <disp-formula id="Ch1.E17" content-type="numbered"><label>17</label><mml:math id="M231" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          Let <inline-formula><mml:math id="M232" display="inline"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> be a component or a collection of components of <inline-formula><mml:math id="M233" display="inline"><mml:mi>S</mml:mi></mml:math></inline-formula>. We then associate <inline-formula><mml:math id="M234" display="inline"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> with a differential form <inline-formula><mml:math id="M235" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> in the perturbation scheme; i.e., there is an invertible map <inline-formula><mml:math id="M236" display="inline"><mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi></mml:math></inline-formula> that maps the space of <inline-formula><mml:math id="M237" display="inline"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> to the space of <inline-formula><mml:math id="M238" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, such that <inline-formula><mml:math id="M239" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In the examples in this paper, the corresponding map <inline-formula><mml:math id="M240" display="inline"><mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi></mml:math></inline-formula> is obvious. When <inline-formula><mml:math id="M241" display="inline"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> refers to a scalar quantity on the domain. We can choose to associate a differential <inline-formula><mml:math id="M242" display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> form <inline-formula><mml:math id="M243" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math id="M244" display="inline"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula>, as in Example 3.1.3,  an <inline-formula><mml:math id="M245" display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> vector <inline-formula><mml:math id="M246" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as in Example 3.1.5, or a differential <inline-formula><mml:math id="M247" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:math></inline-formula> form (function) <inline-formula><mml:math id="M248" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. When <inline-formula><mml:math id="M249" display="inline"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> refers to a vector-valued function <inline-formula><mml:math id="M250" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we can associate the differential <inline-formula><mml:math id="M251" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:math></inline-formula> form <inline-formula><mml:math id="M252" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math id="M253" display="inline"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula>. It is not hard to see that  <inline-formula><mml:math id="M254" display="inline"><mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi></mml:math></inline-formula> is obvious once the type of tensor field is chosen. Suppose the propagation equation for <inline-formula><mml:math id="M255" display="inline"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> is

                <disp-formula id="Ch1.E18" content-type="numbered"><label>18</label><mml:math id="M256" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          This implies a propagation equation for <inline-formula><mml:math id="M257" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:math></inline-formula>:

                <disp-formula id="Ch1.E19" content-type="numbered"><label>19</label><mml:math id="M258" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          The discrete-time perturbed forecast at each time step consists of the following two steps:

                <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M259" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E20"><mml:mtd><mml:mtext>20</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></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 class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            with <inline-formula><mml:math id="M260" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>o</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for some differential forms <inline-formula><mml:math id="M261" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">θ</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="M262" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d1e6085">As the physical PDE (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E20"/>) is deterministic, <inline-formula><mml:math id="M263" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>‖</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> scales in <inline-formula><mml:math id="M264" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Indeed, there is no noise term to induce a scaling in <inline-formula><mml:math id="M265" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Therefore, it can be assumed that there exists <inline-formula><mml:math id="M266" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> so that <inline-formula><mml:math id="M267" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M268" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, for <inline-formula><mml:math id="M269" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> small enough. Then
            <disp-formula id="Ch1.E22" content-type="numbered"><label>22</label><mml:math id="M270" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">̃</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow/><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow/><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow/><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow/><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>o</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>o</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
          Therefore,
            <disp-formula id="Ch1.E23" content-type="numbered"><label>23</label><mml:math id="M271" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>o</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
          This suggests the following stochastic propagation equation for <inline-formula><mml:math id="M272" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:math></inline-formula>:
            <disp-formula id="Ch1.E24" content-type="numbered"><label>24</label><mml:math id="M273" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          Since there is a one-to-one correspondence between <inline-formula><mml:math id="M274" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M275" display="inline"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula>, Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E19"/>) also suggests a stochastic propagation equation for <inline-formula><mml:math id="M276" display="inline"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula>, which can be written as
            <disp-formula id="Ch1.E25" content-type="numbered"><label>25</label><mml:math id="M277" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          We denote the additional terms in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E25"/>) by
            <disp-formula id="Ch1.E26" content-type="numbered"><label>26</label><mml:math id="M278" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>:=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          Then Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E25"/>) can be written as
            <disp-formula id="Ch1.E27" content-type="numbered"><label>27</label><mml:math id="M279" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d1e6942"><bold>Remark 3.</bold>
(<inline-formula><mml:math id="M280" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is not directly related to the original dynamics). <inline-formula><mml:math id="M281" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is completely determined by <inline-formula><mml:math id="M282" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> but is not directly related to the original dynamics Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E18"/>). Therefore, once the expression of <inline-formula><mml:math id="M283" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E6"/>) and the choice of <inline-formula><mml:math id="M284" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> are determined, the perturbation term <inline-formula><mml:math id="M285" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is prescribed.  However, the choice of <inline-formula><mml:math id="M286" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is up to the user and may then be related to the original dynamics.</p>
      <?pagebreak page242?><p id="d1e7027"><bold>Remark 4.</bold>
In particular, there is no noise in the original dynamics (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E18"/>) which could be correlated with the noise of the resulting stochastic scheme (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E21"/>). That is why the Itō lemma directly applies in the Taylor development
(<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S2.E117"/>) of <inline-formula><mml:math id="M287" display="inline"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> and then in the Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E22"/>), leading to Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E23"/>) and the final SPDE. Indeed, unlike the Itō–Wentzell formula <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx19" id="paren.39"/> – a cornerstone of the LU scheme – there is no additional cross-correlation term between <inline-formula><mml:math id="M288" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M289" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The final SPDE  (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E24"/>) makes the link between the solution <inline-formula><mml:math id="M290" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and the Brownian motions <inline-formula><mml:math id="M291" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> clear. But, at a given time step <inline-formula><mml:math id="M292" display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula>, since Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E18"/>) has no noise term, <inline-formula><mml:math id="M293" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is correlated with the <inline-formula><mml:math id="M294" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>↦</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math id="M295" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> only and is independent of the new Brownian increment <inline-formula><mml:math id="M296" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> generating <inline-formula><mml:math id="M297" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Therefore, there is no cross-correlation term between <inline-formula><mml:math id="M298" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M299" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d1e7252"><bold>Remark 5.</bold>
For a numerical implementation of our stochastic scheme, the time integration of the SPDE (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E25"/>) may require a smaller time step <inline-formula><mml:math id="M300" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> than the time integration of the deterministic PDE (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E18"/>) for two reasons. First, the available SDE (stochastic differential equation) time integration schemes are often less accurate than their deterministic counterparts. Secondly, the modified dynamics may involve additional Courant–Friedrichs–Lewy (CFL) constraints, related to for instance noise-induced diffusion.</p>
      <p id="d1e7271"><bold>Example 3.2.1.</bold>
When <inline-formula><mml:math id="M301" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, Example (3.1.1),
            <disp-formula id="Ch1.E28" content-type="numbered"><label>28</label><mml:math id="M302" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow/><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</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:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow/><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d1e7415">This implies that
            <disp-formula id="Ch1.E29" content-type="numbered"><label>29</label><mml:math id="M303" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow/><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</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:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow/><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d1e7531">To physically interpret this equation, we rewrite
            <disp-formula id="Ch1.E30" content-type="numbered"><label>30</label><mml:math id="M304" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          where
            <disp-formula id="Ch1.E31" content-type="numbered"><label>31</label><mml:math id="M305" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></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:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          Terms of advection  and diffusion are recognized. The matrix <inline-formula><mml:math id="M306" display="inline"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is symmetric and non-negative and represents a diffusion matrix. The <inline-formula><mml:math id="M307" display="inline"><mml:mi>p</mml:mi></mml:math></inline-formula>th component of the advecting velocity <inline-formula><mml:math id="M308" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is composed of the drift <inline-formula><mml:math id="M309" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, a correction <inline-formula><mml:math id="M310" display="inline"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and a stochastic advecting velocity  <inline-formula><mml:math id="M311" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d1e7828">If the original deterministic PDE (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E18"/>) is an advection–diffusion equation, with advecting velocity <inline-formula><mml:math id="M312" display="inline"><mml:mi>u</mml:mi></mml:math></inline-formula> and diffusion coefficient <inline-formula><mml:math id="M313" display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the final SPDE to simulate (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E25"/>) is now a stochastic advection–diffusion equation, with advecting velocity <inline-formula><mml:math id="M314" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and diffusion matrix <inline-formula><mml:math id="M315" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>:
            <disp-formula id="Ch1.E32" content-type="numbered"><label>32</label><mml:math id="M316" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          This type of SPDE appears in the LU framework, detailed in
Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S4.SS2.SSS1"/>.</p>
      <p id="d1e8007"><bold>Example 3.2.2.</bold>
When <inline-formula><mml:math id="M317" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, Example 3.1.3,
            <disp-formula id="Ch1.E33" content-type="numbered"><label>33</label><mml:math id="M318" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow/><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:mrow/><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9}{9}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow/><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mrow/><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d1e8292">This implies that
            <disp-formula id="Ch1.E34" content-type="numbered"><label>34</label><mml:math id="M319" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow/><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></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:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow/><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
          Rewritten, it leads to
            <disp-formula id="Ch1.E35" content-type="numbered"><label>35</label><mml:math id="M320" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          where
            <disp-formula id="Ch1.E36" content-type="numbered"><label>36</label><mml:math id="M321" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></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:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
          Again an advection–diffusion equation is recognized but of a different nature.
Indeed, as expected for an <inline-formula><mml:math id="M322" display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> form, the PDE is similar to a density conservation equation. Moreover, the advecting drift is slightly different to take into account the cross-correlations between  <inline-formula><mml:math id="M323" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M324" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d1e8825">Recall, in fluid dynamics, that the Reynolds transport theorem provides an integral conservation equation for the transport of any conserved quantity within a fluid, connected to its corresponding differential equation. The Reynolds transport theorem is central to the LU setting. The present example thus already outlines a closed link between the proposed perturbation approach and the LU formulation.
Accordingly, the SPDE (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E35"/>) naturally appears in the LU framework, as detailed in
Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S4.SS2.SSS2"/>.</p>
      <p id="d1e8832"><bold>Example 3.2.3.</bold>
When <inline-formula><mml:math id="M325" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, Example 3.1.4,
            <disp-formula id="Ch1.E37" content-type="numbered"><label>37</label><mml:math id="M326" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow/><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></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:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mrow/><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <?pagebreak page243?><p id="d1e9098">For each <inline-formula><mml:math id="M327" display="inline"><mml:mi>j</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the coefficients of <inline-formula><mml:math id="M328" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in <inline-formula><mml:math id="M329" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and those in <inline-formula><mml:math id="M330" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> can be compared, to lead to
            <disp-formula id="Ch1.E38" content-type="numbered"><label>38</label><mml:math id="M331" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></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:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
          Regrouping the terms for physical interpretation, it reads
            <disp-formula id="Ch1.E39" content-type="numbered"><label>39</label><mml:math id="M332" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
          Two additional terms complete the advection–diffusion term. The first one, <inline-formula><mml:math id="M333" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, is reminiscent of the additional terms appearing in SALT momentum equations <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx14 bib1.bibx37" id="paren.40"/>. The second term, <inline-formula><mml:math id="M334" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, comes from the cross-correlation in Itô notation.</p>
      <p id="d1e9668"><bold>Example 3.2.4.</bold>
When <inline-formula><mml:math id="M335" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, Example 3.1.5,
            <disp-formula id="Ch1.E40" content-type="numbered"><label>40</label><mml:math id="M336" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow/><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:mrow/><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></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:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</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:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow/><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mrow/><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d1e10005">This implies
            <disp-formula id="Ch1.E41" content-type="numbered"><label>41</label><mml:math id="M337" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow/><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></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:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</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:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow/><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
          It can then be verified that
            <disp-formula id="Ch1.E42" content-type="numbered"><label>42</label><mml:math id="M338" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          where
            <disp-formula id="Ch1.E43" content-type="numbered"><label>43</label><mml:math id="M339" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d1e10469">We recognize a diffusion term, <inline-formula><mml:math id="M340" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, a velocity divergence term, <inline-formula><mml:math id="M341" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and the advection term, <inline-formula><mml:math id="M342" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.  The divergence term is comparable to one appearing in the density equation.</p>
      <p id="d1e10579">However, the velocity fields appearing in the divergent and advecting terms do not coincide. Indeed, they are even opposite for divergence-free noise (<inline-formula><mml:math id="M343" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). This type of equation may appear uncommon but will be shown useful when applied to randomized thermal shallow water equations.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S3.SS3">
  <label>3.3</label><?xmltex \opttitle{Conservation laws related to $\mathrm{d}_{s}f$}?><title>Conservation laws related to <inline-formula><mml:math id="M344" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula></title>
      <p id="d1e10629">A major advantage of the proposed perturbation scheme is to possibly prescribe <inline-formula><mml:math id="M345" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> to ensure that certain quantities are conserved. Define the discrete time version of <inline-formula><mml:math id="M346" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>  as
            <disp-formula id="Ch1.E44" content-type="numbered"><label>44</label><mml:math id="M347" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          In general, conservation laws can be derived from the following two identities about the pull-back operator:

                <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M348" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E45"><mml:mtd><mml:mtext>45</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∧</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E46"><mml:mtd><mml:mtext>46</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            where <inline-formula><mml:math id="M349" display="inline"><mml:mi>d</mml:mi></mml:math></inline-formula> refers to the differential operator acting on differential forms. Hereafter, we present how to derive the conservation laws for two particular examples.</p>
      <p id="d1e10818"><bold>Example 3.3.1.</bold>
Suppose <inline-formula><mml:math id="M350" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and define

                <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M351" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E47"><mml:mtd><mml:mtext>47</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E48"><mml:mtd><mml:mtext>48</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            Then <inline-formula><mml:math id="M352" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Therefore,
            <disp-formula id="Ch1.E49" content-type="numbered"><label>49</label><mml:math id="M353" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:munder><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:munder><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:munder><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:munder><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:munder><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
          Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E49"/>) implies that the total integral of <inline-formula><mml:math id="M354" display="inline"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> is not changed by the perturbation scheme.
Next, suppose that <inline-formula><mml:math id="M355" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a function. Similarly, we define

                <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M356" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E50"><mml:mtd><mml:mtext>50</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E51"><mml:mtd><mml:mtext>51</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mover accent="true"><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            Applying Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E45"/>),
            <disp-formula id="Ch1.E52" content-type="numbered"><label>52</label><mml:math id="M357" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:munder></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mover accent="true"><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:munder><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∧</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:munder><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∧</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∧</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:munder><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∧</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:munder><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
          The total integral of <inline-formula><mml:math id="M358" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is thus also conserved by the perturbation scheme. Similarly for any integer <inline-formula><mml:math id="M359" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M360" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is conserved by the perturbation scheme.</p>
      <p id="d1e11405"><bold>Example 3.3.2.</bold>
Suppose <inline-formula><mml:math id="M361" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M362" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M363" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the velocity field. The vorticity <inline-formula><mml:math id="M364" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> corresponds to the differential 2 form <inline-formula><mml:math id="M365" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>:
            <disp-formula id="Ch1.E53" content-type="numbered"><label>53</label><mml:math id="M366" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <?pagebreak page244?><p id="d1e11535">Define <inline-formula><mml:math id="M367" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>:=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M368" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
Then <inline-formula><mml:math id="M369" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and
            <disp-formula id="Ch1.E54" content-type="numbered"><label>54</label><mml:math id="M370" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:munder></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:munder><mml:mi>d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:munder><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:munder><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:munder><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:munder><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
          Therefore, the vorticity is conserved by the perturbation scheme.</p>
      <p id="d1e11797"><bold>Example 3.3.3.</bold>
Suppose <inline-formula><mml:math id="M371" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M372" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M373" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the velocity field. The vorticity <inline-formula><mml:math id="M374" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> corresponds to the differential 2 form <inline-formula><mml:math id="M375" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>:
            <disp-formula id="Ch1.E55" content-type="numbered"><label>55</label><mml:math id="M376" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mi>u</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="normal">d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
          The helicity <inline-formula><mml:math id="M377" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> corresponds to the differential 3 form:
            <disp-formula id="Ch1.E56" content-type="numbered"><label>56</label><mml:math id="M378" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow/><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow/><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
          Similarly, we define <inline-formula><mml:math id="M379" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> by <inline-formula><mml:math id="M380" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Then,
            <disp-formula id="Ch1.E57" content-type="numbered"><label>57</label><mml:math id="M381" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:munder><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:munder><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:munder><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:munder><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:munder><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:munder><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:munder><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
          Hence, in this case, the total amount of helicity is conserved.</p>
      <p id="d1e12540"><bold>Example 3.3.4.</bold>
Suppose that <inline-formula><mml:math id="M382" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and that <inline-formula><mml:math id="M383" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. There exists a pairing <inline-formula><mml:math id="M384" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>〈</mml:mo><mml:mo>〉</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the differential <inline-formula><mml:math id="M385" display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> forms and the contravariant <inline-formula><mml:math id="M386" display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> vectors; i.e., <inline-formula><mml:math id="M387" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>〈</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>〉</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a function on <inline-formula><mml:math id="M388" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Define

                <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M389" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E58"><mml:mtd><mml:mtext>58</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E59"><mml:mtd><mml:mtext>59</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup></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="d1e12824">Then we have
            <disp-formula id="Ch1.E60" content-type="numbered"><label>60</label><mml:math id="M390" display="block"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mover accent="true"><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>〈</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>〉</mml:mo><mml:mrow/><mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>〈</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>〉</mml:mo><mml:mrow/><mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          and
            <disp-formula id="Ch1.E61" content-type="numbered"><label>61</label><mml:math id="M391" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:munder><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:munder><mml:mo>〈</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>〉</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:munder><mml:mo>〈</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>〉</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:munder><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d1e13083"><bold>Remark 6</bold> (The conservation law of the perturbation scheme is independent of the conservation law of the original dynamical system).
The derivation of Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E49"/>),
(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E52"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E54"/>),
(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E57"/>),
and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E61"/>) is based on the generic properties of the pull-back and push-forward operator of tensor fields. Since the choice of <inline-formula><mml:math id="M392" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is not directly determined by the dynamical system, the conservation law of the perturbation scheme is independent of the original dynamical system.  Recall that the perturbed forecast consists of two steps: Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E20"/>) and
(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E21"/>). The conservation law of the perturbation scheme implies that certain quantities are conserved in the second step. On the other hand, the original dynamical system (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E20"/>) might enjoy some other conservation law. If a quantity is conserved by both the original dynamical system and the perturbation scheme,  then this quantity must be conserved by the final stochastic PDE. If a quantity is conserved by only one of Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E20"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E21"/>), then it can not be concluded that this quantity is conserved by the final SPDE.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="Ch1.S4">
  <label>4</label><title>Comparison with other perturbation schemes</title>
      <p id="d1e13126">In this section, we demonstrate that both the stochastic advection by Lie transport (SALT) equation <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx14" id="paren.41"/> and the location uncertainty (LU) equation <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx26 bib1.bibx35 bib1.bibx37" id="paren.42"/> can be recovered using the proposed perturbation scheme and properly choosing <inline-formula><mml:math id="M393" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and the parameters <inline-formula><mml:math id="M394" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d1e13157">Note that the original LU paper <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx26" id="paren.43"/> assumed strong smoothness properties (finite variations in time) of the stochastic  Navier–Stokes equations solution, to eventually remove the noises terms of this original Navier–Stokes equations under location uncertainty. Since <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx35 bib1.bibx36" id="text.44"/>, this assumption was removed, in order to keep the important noise terms. Accordingly, the original deterministic LU Navier–Stokes equations from <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx26" id="text.45"/> have been referred to as pseudo-stochastic Navier–Stokes equations <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx38" id="paren.46"/>.
Being deterministic, these pseudo-stochastic equations cannot be recovered by our stochastic scheme, whereas we can recover the stochastic LU Navier–Stokes equations that originated from <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx35" id="text.47"/>.</p>
<sec id="Ch1.S4.SS1">
  <label>4.1</label><title>Comparison with SALT equation</title>
      <?pagebreak page245?><p id="d1e13182">The original SALT equation <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx14" id="paren.48"/> is derived based on a stochastically constrained variational principle <inline-formula><mml:math id="M395" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, for which
            <disp-formula id="Ch1.E62" content-type="numbered"><label>62</label><mml:math id="M396" display="block"><mml:mfenced open="{" close=""><mml:mtable columnspacing="1em" class="cases" rowspacing="0.2ex" columnalign="left left" framespacing="0em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="fraktur">L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:math></disp-formula>
          where <inline-formula><mml:math id="M397" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the Lagrangian of the system, <inline-formula><mml:math id="M398" display="inline"><mml:mi mathvariant="fraktur">L</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the Lie derivative, and <inline-formula><mml:math id="M399" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is defined by  (using our notation)
            <disp-formula id="Ch1.E63" content-type="numbered"><label>63</label><mml:math id="M400" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi>t</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi>t</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>∘</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          in which <inline-formula><mml:math id="M401" display="inline"><mml:mi>u</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the velocity vector field, and the <inline-formula><mml:math id="M402" display="inline"><mml:mo>∘</mml:mo></mml:math></inline-formula> means that the integral is defined in the Stratonovich sense, instead of in the Itô sense. Hence, <inline-formula><mml:math id="M403" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>∘</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> refers to an infinitesimal stochastic tangent field on the domain. Broadly speaking, we can express <inline-formula><mml:math id="M404" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Note the difference between Itô's notation and Stratonovich's notation; i.e., <inline-formula><mml:math id="M405" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>∘</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≠</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Our expression of <inline-formula><mml:math id="M406" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> essentially follows Itô's notation, and <inline-formula><mml:math id="M407" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in this subsection. Instead, it becomes <inline-formula><mml:math id="M408" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d1e13665">In the second part of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E62"/>), <inline-formula><mml:math id="M409" display="inline"><mml:mi>q</mml:mi></mml:math></inline-formula> is assumed to be a quantity advected by the flow. <inline-formula><mml:math id="M410" display="inline"><mml:mi>q</mml:mi></mml:math></inline-formula> can correspond to any differential form that is not uniquely determined by the velocity (since the SALT equation for the velocity is usually determined by the first equation of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E62"/>). In <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx14" id="text.49"/>, the Lie derivative <inline-formula><mml:math id="M411" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="fraktur">L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is calculated using Cartan's formula:
            <disp-formula id="Ch1.E64" content-type="numbered"><label>64</label><mml:math id="M412" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="fraktur">L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          Essentially, the Lie derivative <inline-formula><mml:math id="M413" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="fraktur">L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> corresponds to <inline-formula><mml:math id="M414" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, if we assume that the deterministic forecast of <inline-formula><mml:math id="M415" display="inline"><mml:mi>q</mml:mi></mml:math></inline-formula> is simply the advection of <inline-formula><mml:math id="M416" display="inline"><mml:mi>q</mml:mi></mml:math></inline-formula> by <inline-formula><mml:math id="M417" display="inline"><mml:mi>u</mml:mi></mml:math></inline-formula>. More generally, <inline-formula><mml:math id="M418" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="fraktur">L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Therefore, the SALT equation for <inline-formula><mml:math id="M419" display="inline"><mml:mi>q</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the same as our equation for <inline-formula><mml:math id="M420" display="inline"><mml:mi>q</mml:mi></mml:math></inline-formula>. We remark that Cartan's formula can not be directly applied to calculate the Lie derivative if the expression of <inline-formula><mml:math id="M421" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is in Itô's notation.</p>
      <p id="d1e13915">The SALT equation regarding the velocity <inline-formula><mml:math id="M422" display="inline"><mml:mi>u</mml:mi></mml:math></inline-formula> comes from the first equation of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E62"/>).  For most cases, the velocity <inline-formula><mml:math id="M423" display="inline"><mml:mi>u</mml:mi></mml:math></inline-formula> is associated with the momentum, a differential <inline-formula><mml:math id="M424" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:math></inline-formula> form <inline-formula><mml:math id="M425" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In the examples discussed in <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx14" id="text.50"/>, it is observed that, when the Lagrangian includes the kinetic energy, the stochastic noise contributes a term <inline-formula><mml:math id="M426" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="fraktur">L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M427" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a differential <inline-formula><mml:math id="M428" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:math></inline-formula> form related to the momentum <inline-formula><mml:math id="M429" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:math></inline-formula> form. For instance, <inline-formula><mml:math id="M430" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the example of “Stratonovich stochastic Euler–Poincaré flow” in <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx14" id="text.51"/>, and <inline-formula><mml:math id="M431" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the example of “stochastic Euler–Boussinesq equations of a rotating stratified incompressible fluid” in <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx14" id="text.52"/>. Already pointed out, the operator <inline-formula><mml:math id="M432" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="fraktur">L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is closely related to <inline-formula><mml:math id="M433" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and the momentum equation in SALT can be derived using our proposed scheme by properly choosing <inline-formula><mml:math id="M434" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d1e14122"><xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx14" id="text.53"/> requires that <inline-formula><mml:math id="M435" display="inline"><mml:mi>q</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a differential form since Cartan's formula is only useful for differential forms <inline-formula><mml:math id="M436" display="inline"><mml:mi>q</mml:mi></mml:math></inline-formula>. This restriction can be relaxed by employing the original definition of Lie derivative with respect to a deterministic/stochastic flow of diffeomorphism discussed in <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx21" id="text.54"/>, so that <inline-formula><mml:math id="M437" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="fraktur">L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be generalized to the case where <inline-formula><mml:math id="M438" display="inline"><mml:mi>q</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a mixed-tensor field. This corresponds to Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E7"/>) of the current paper.</p>
      <p id="d1e14174">Compared with <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx14" id="text.55"/> and <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx21" id="text.56"/>, the proposed perturbation approach seems more flexible and does not have to rely on the Lagrangian mechanics.
In particular, the velocity field can be associated with other tensor fields than the momentum 1 form. The perturbation, not directly related to the physics, can then be applied to any PDE. Moreover, our approach provides a new interpretation of <inline-formula><mml:math id="M439" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="fraktur">L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in terms of the optimal transportation associated with the infinitesimal forecast error at each time step.
This interpretation certainly suggests practical numerical methods to infer <inline-formula><mml:math id="M440" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Given a long sequence of reanalysis data or simulated high-resolution data, the one-step forecast can be evaluated using the low-resolution model, with the high-resolution state at each time step being the initial condition. <inline-formula><mml:math id="M441" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is then estimated at each time step by comparing the low-resolution forecast and the high-resolution forecast. Finally, <inline-formula><mml:math id="M442" display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M443" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> could be learned from these samples of <inline-formula><mml:math id="M444" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S4.SS2">
  <label>4.2</label><title>Comparison with the LU equation</title>
      <p id="d1e14272">Mentioned above, the Reynolds transport theorem is central to the LU setting, and we already outlined a closed link between the proposed perturbation approach and the LU formulation. This link – related to differential <inline-formula><mml:math id="M445" display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> forms – will be described precisely later in this subsection. But, before this, we focus on another key ingredient of LU: the stochastic material derivative of functions (differential <inline-formula><mml:math id="M446" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:math></inline-formula> forms).</p>
<sec id="Ch1.S4.SS2.SSS1">
  <label>4.2.1</label><title>0 forms in the LU framework</title>
      <?pagebreak page246?><p id="d1e14296">Dropping the forcing terms,
the LU equation for compressible and incompressible flow reads <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx35" id="paren.57"/>

                  <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M447" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E65"><mml:mtd><mml:mtext>65</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mo>⋆</mml:mo></mml:msup><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E66"><mml:mtd><mml:mtext>66</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mo>⋆</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</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:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>⊤</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>⊤</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

              where <inline-formula><mml:math id="M448" display="inline"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> can be any quantity that is assumed to be
transported by the flow, i.e., <inline-formula><mml:math id="M449" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M450" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the Itō material derivative. For instance, <inline-formula><mml:math id="M451" display="inline"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> could be the velocity (dropping forces in the SPDE), the temperature, or the buoyancy.
Compared to SALT notations, <inline-formula><mml:math id="M452" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is denoted <inline-formula><mml:math id="M453" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>•</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. We refer to <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx37" id="text.58"><named-content content-type="post">Appendix A</named-content></xref> for the complete table of SALT–LU notation correspondences.
Derived in <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx34" id="text.59"><named-content content-type="post">Appendix 10.1</named-content></xref> and <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx38" id="text.60"><named-content content-type="post">6.1.3</named-content></xref>, we can rewrite it as

                  <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M454" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E67"><mml:mtd><mml:mtext>67</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><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:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>f</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:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>•</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>•</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E68"><mml:mtd><mml:mtext>68</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mo>∘</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E69"><mml:mtd><mml:mtext>69</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E70"><mml:mtd><mml:mtext>70</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>⊤</mml:mo></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 mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>⊤</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E71"><mml:mtd><mml:mtext>71</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>•</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>•</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

              where <inline-formula><mml:math id="M455" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mo>∘</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the Stratonovich noise of the SPDE,  and <inline-formula><mml:math id="M456" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M457" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (denoted <inline-formula><mml:math id="M458" display="inline"><mml:mi>u</mml:mi></mml:math></inline-formula> in the SALT framework) are the Itō drift and the Stratonovich drift of the fluid flow respectively.
Separating the terms of the SPDE related to the deterministic dynamics from the term associated with the stochastic scheme results in
              <disp-formula id="Ch1.E72" content-type="numbered"><label>72</label><mml:math id="M459" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mtext>LU</mml:mtext></mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mtext>LU</mml:mtext></mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            where

                  <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M460" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E73"><mml:mtd><mml:mtext>73</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E74"><mml:mtd><mml:mtext>74</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mtext>LU</mml:mtext></mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</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:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>•</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>•</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

              Terms in Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E65"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E66"/>) translate to our notation in the following way:
              <disp-formula id="Ch1.Ex1"><mml:math id="M461" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml: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:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><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:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>•</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>•</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><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:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><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:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
            Hence,
              <disp-formula id="Ch1.E75" content-type="numbered"><label>75</label><mml:math id="M462" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mtext>LU</mml:mtext></mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</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:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
            Recall that Eq. (29) can be obtained by our perturbation scheme, while <inline-formula><mml:math id="M463" display="inline"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> is associated with a differential <inline-formula><mml:math id="M464" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:math></inline-formula> form. Direct calculation means that Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E75"/>) coincides with Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E29"/>) when
              <disp-formula id="Ch1.E76" content-type="numbered"><label>76</label><mml:math id="M465" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
            The LU equation can thus be derived by choosing <inline-formula><mml:math id="M466" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M467" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E76"/>). At first glance, it does not seem straightforward to make such a choice.
Nevertheless, it can be recognized that the term <inline-formula><mml:math id="M468" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the Itō noise and its Itō-to-Stratonovich correction. Hence, it corresponds to the Stratonovich noise <inline-formula><mml:math id="M469" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>∘</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the flow associated with <inline-formula><mml:math id="M470" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
The additional drift <inline-formula><mml:math id="M471" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is different in nature.
It is related to the advection correction <inline-formula><mml:math id="M472" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the LU setting. Indeed, in the LU framework, the Itō drift, <inline-formula><mml:math id="M473" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi></mml:math></inline-formula>, is seen as the resolved large-scale velocity. That is why, in this framework, the deterministic dynamics (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E74"/>) involves the Itō drift, <inline-formula><mml:math id="M474" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi></mml:math></inline-formula>.
This is also the reason why, under the LU derivation, the advected velocity is assumed to be given by the Itō drift, <inline-formula><mml:math id="M475" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi></mml:math></inline-formula>. It differs from the Stratonovich drift <inline-formula><mml:math id="M476" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, used as an advection velocity in the SALT approach or in <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx27" id="text.61"/> (where the Stratonovich drift is denoted <inline-formula><mml:math id="M477" display="inline"><mml:mi>u</mml:mi></mml:math></inline-formula>).
Interested readers are referred to <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx37" id="text.62"><named-content content-type="post">Appendix A</named-content></xref> for a discussion on these assumptions.
Note however that in all these approaches, the advecting velocity is always the Stratonovich drift.
This can be seen, e.g., in the Stratonovich form of LU Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E68"/>).</p>
      <p id="d1e15867">To also understand Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E76"/>), the inverse flow can be considered. According to Appendix (<xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S1"/>),
              <disp-formula id="Ch1.E77" content-type="numbered"><label>77</label><mml:math id="M478" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            Considering <inline-formula><mml:math id="M479" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to represent how much the model forecast differs from the true forecast at every time step, <inline-formula><mml:math id="M480" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be understood to represent how much the true forecast differs from the model forecast at each time step. Therefore, the LU equation
can be derived using the proposed perturbation scheme, choosing <inline-formula><mml:math id="M481" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and assuming that the true forecast differs from the model forecast by a displacement prescribed by Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E77"/>).</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S4.SS2.SSS2">
  <label>4.2.2</label><?xmltex \opttitle{$n$ forms in the LU framework}?><title><inline-formula><mml:math id="M482" display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> forms in the LU framework</title>
      <?pagebreak page247?><p id="d1e15986">The LU physical justification relies on a stochastic interpretation of fundamental conservation laws, typically conservation of extensive properties (i.e., integrals of functions over a spatial volume) like momentum, mass, matter, and energy <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx35" id="paren.63"/>. These extensive properties can be expressed by integrals of differential <inline-formula><mml:math id="M483" display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> forms. For instance, the mass and the momentum are integrals of the differential <inline-formula><mml:math id="M484" display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> forms <inline-formula><mml:math id="M485" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M486" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, respectively. In the LU framework, a stochastic version of the Reynolds transport theorem <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx35" id="paren.64"><named-content content-type="post">Eq. 28</named-content></xref> is used to deal with these differential <inline-formula><mml:math id="M487" display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> forms <inline-formula><mml:math id="M488" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Assuming an integral conservation <inline-formula><mml:math id="M489" display="inline"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> on a spatial domain <inline-formula><mml:math id="M490" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> transported by the flow, that theorem leads to the following SPDE:
              <disp-formula id="Ch1.E78" content-type="numbered"><label>78</label><mml:math id="M491" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mo>⋆</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><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>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close="〉" open="〈"><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi>t</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi>t</mml:mi></mml:munderover><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>•</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>•</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
            where <inline-formula><mml:math id="M492" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes the Itō material derivative.
Here again, forcing terms are dropped for the sake of readability. This SPDE can be rewritten using the expression of that material derivative (Eqs. 9 and 10 of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx35" id="altparen.65"/>):

                  <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M493" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E79"><mml:mtd><mml:mtext>79</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>•</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>•</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E80"><mml:mtd><mml:mtext>80</mml:mtext></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:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>•</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>•</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E81"><mml:mtd><mml:mtext>81</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mo>∘</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

              The original deterministic equation and stochastic perturbation correspond to

                  <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M494" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E82"><mml:mtd><mml:mtext>82</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E83"><mml:mtd><mml:mtext>83</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mtext>LU</mml:mtext></mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>•</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>•</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E84"><mml:mtd><mml:mtext>84</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msup><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="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml: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="bold-italic">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

              Identifying <inline-formula><mml:math id="M495" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>•</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>•</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M496" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E35"/>) corresponds to Example 3.2.2 about <inline-formula><mml:math id="M497" display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> forms, with
              <disp-formula id="Ch1.E85" content-type="numbered"><label>85</label><mml:math id="M498" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">̃</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></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:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>;</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
            i.e.,
              <disp-formula id="Ch1.E86" content-type="numbered"><label>86</label><mml:math id="M499" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            Again, the remapping is obtained,
              <disp-formula id="Ch1.E87" content-type="numbered"><label>87</label><mml:math id="M500" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
            previously derived for the differential <inline-formula><mml:math id="M501" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:math></inline-formula> form in LU framework
(Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E76"/>).
Therefore, the proposed approach also generalizes the LU framework for <inline-formula><mml:math id="M502" display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> forms and its capacity – given by the Reynolds transport theorem – to deal with extensive properties.</p>
      <p id="d1e17280"><bold>Remark 7.</bold>
For incompressible flows, the LU equation further imposes that
              <disp-formula id="Ch1.E88" content-type="numbered"><label>88</label><mml:math id="M503" display="block"><mml:mfenced open="{" close=""><mml:mtable rowspacing="0.2ex" columnspacing="1em" class="cases" columnalign="left" framespacing="0em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:math></disp-formula>
            Translating it into our notation, it reads
              <disp-formula id="Ch1.Ex2"><mml:math id="M504" display="block"><mml:mfenced open="{" close=""><mml:mtable class="cases" columnspacing="1em" rowspacing="0.2ex" columnalign="left" framespacing="0em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mtext> for each</mml:mtext><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:math></disp-formula>
            Applying the result in Example 3.1.2, straightforward calculation means Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E88"/>) is equivalent to <inline-formula><mml:math id="M505" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math id="M506" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Such a result was expected since constraints (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E88"/>) are obtained from the LU density conservation.</p>
</sec>
</sec>
</sec>
<sec id="Ch1.S5">
  <label>5</label><title>A stochastic version of thermal shallow water equation</title>
      <p id="d1e17469">In this section, the proposed approach is applied to derive a stochastic version of thermal shallow water equation. Another stochastic version of thermal shallow water equation can be found in <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx15" id="text.66"/>. The thermal shallow water equation is derived in <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx44" id="text.67"/>:

              <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M507" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E89"><mml:mtd><mml:mtext>89</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E90"><mml:mtd><mml:mtext>90</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E91"><mml:mtd><mml:mtext>91</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>f</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:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          This model can be used to describe a two-layer system under equivalent barotropic approximation. The upper layer is active but with a spatiotemporal varying density <inline-formula><mml:math id="M508" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, while the lower layer is quiescent with a fixed constant density <inline-formula><mml:math id="M509" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.  The state variable <inline-formula><mml:math id="M510" display="inline"><mml:mi>h</mml:mi></mml:math></inline-formula> represents the height of the active layer, and <inline-formula><mml:math id="M511" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the density contrast. <inline-formula><mml:math id="M512" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is the averaged horizontal velocity of the active layer at each column. Note that <inline-formula><mml:math id="M513" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (hence <inline-formula><mml:math id="M514" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) in the scenario of equivalent barotropic approximation <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx44" id="paren.68"/>.</p>
      <p id="d1e17787">Stated in <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx44" id="text.69"/>,
the following physical quantities are conserved up to the forcing.

              <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M515" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E92"><mml:mtd><mml:mtext>92</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mtext>Total energy: </mml:mtext><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:munder><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:msup><mml:mo>|</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E93"><mml:mtd><mml:mtext>93</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mtext>Total mass: </mml:mtext><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:munder><mml:mi>h</mml:mi><mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E94"><mml:mtd><mml:mtext>94</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mtext>Total momentum: </mml:mtext><mml:mi mathvariant="normal">M</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:munder><mml:mi>h</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          The objective is thus to choose proper tensor fields <inline-formula><mml:math id="M516" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M517" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the state variables <inline-formula><mml:math id="M518" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M519" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, respectively, so that <inline-formula><mml:math id="M520" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M521" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">M</mml:mi></mml:math></inline-formula> are conserved by the perturbation scheme. Again, it must be emphasized that the conservation law of the perturbation scheme does not directly imply that the same quantities are conserved by the final SPDE.</p>
      <p id="d1e18001">The domain is 2-dimensional. To conserve mass, the only choice for <inline-formula><mml:math id="M522" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is <inline-formula><mml:math id="M523" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which is a differential <inline-formula><mml:math id="M524" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:math></inline-formula> form. It plays the role of density. In order to conserve the momentum, we need the momentum to be a differential 2 form as well. Hence we must choose <inline-formula><mml:math id="M525" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to be a function (differential 0 form). Therefore, the only choice for <inline-formula><mml:math id="M526" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is <inline-formula><mml:math id="M527" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. This choice of <inline-formula><mml:math id="M528" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M529" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> implies that <inline-formula><mml:math id="M530" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:msup><mml:mo>|</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> also corresponds to a 2 form <inline-formula><mml:math id="M531" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:msup><mml:mo>|</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Hence the kinetic energy is automatically conserved by the perturbation scheme. This means that if we want <inline-formula><mml:math id="M532" display="inline"><mml:mi>E</mml:mi></mml:math></inline-formula> to be conserved, we must select <inline-formula><mml:math id="M533" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> so that <inline-formula><mml:math id="M534" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> corresponds to a differential <inline-formula><mml:math id="M535" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:math></inline-formula> form. Note that <inline-formula><mml:math id="M536" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is already a 2 form. We must thus select <inline-formula><mml:math id="M537" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> so that <inline-formula><mml:math id="M538" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> corresponds to a function. The only choice for <inline-formula><mml:math id="M539" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the contravariant tensor <inline-formula><mml:math id="M540" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In this case, <inline-formula><mml:math id="M541" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> corresponds to the differential <inline-formula><mml:math id="M542" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:math></inline-formula> form <inline-formula><mml:math id="M543" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>〈</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>〉</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M544" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>〈</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>〉</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in this section is the natural pairing of covariant <inline-formula><mml:math id="M545" display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula>-tensor fields and contravariant <inline-formula><mml:math id="M546" display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula>-tensor fields.</p>
      <?pagebreak page248?><p id="d1e18365">In sum, we have chosen the following tensor fields:

              <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M547" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E95"><mml:mtd><mml:mtext>95</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E96"><mml:mtd><mml:mtext>96</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtext>for</mml:mtext><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E97"><mml:mtd><mml:mtext>97</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          For
          <disp-formula id="Ch1.E98" content-type="numbered"><label>98</label><mml:math id="M548" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        we have
          <disp-formula id="Ch1.E99" content-type="numbered"><label>99</label><mml:math id="M549" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        Then <inline-formula><mml:math id="M550" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M551" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M552" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be calculated following Examples
3.1.3, 3.1.1, and 3.1.5. This further implies <inline-formula><mml:math id="M553" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M554" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, as shown in Examples 3.2.2, 3.2.1, and 3.2.4. Note that <inline-formula><mml:math id="M555" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> instead of <inline-formula><mml:math id="M556" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is applied to <inline-formula><mml:math id="M557" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, as shown in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E7"/>). Finally, we end up with the following SPDE:

              <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M558" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E100"><mml:mtd><mml:mtext>100</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow/><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></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:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow/><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E101"><mml:mtd><mml:mtext>101</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow/><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></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:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></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:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow/><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E102"><mml:mtd><mml:mtext>102</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>×</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:msup><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow/><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></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:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup><mml:mrow/><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M559" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. And the total mass, total momentum and the total energy shall all be conserved by the perturbation scheme.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S6" sec-type="conclusions">
  <label>6</label><title>Conclusions</title>
      <p id="d1e19650">The starting point of this work was to question how the location of the state variable can be consistently perturbed, motivated by Brenier's theorem <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx3" id="paren.70"/> which suggests that the difference of two density fields can be represented by a transport map <inline-formula><mml:math id="M560" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Noting that optimal transportation has a clean representation in terms of differential <inline-formula><mml:math id="M561" display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> forms, we proposed to perturb the “location” of the state variable <inline-formula><mml:math id="M562" display="inline"><mml:mi>S</mml:mi></mml:math></inline-formula>, at every forecast time step, by perturbing the corresponding differential <inline-formula><mml:math id="M563" display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> forms <inline-formula><mml:math id="M564" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> by <inline-formula><mml:math id="M565" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>←</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M566" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a random diffeomorphism which deviates from the identity map infinitesimally.</p>
      <p id="d1e19722">Under this framework, we end up with a stochastic PDE of the state variable <inline-formula><mml:math id="M567" display="inline"><mml:mi>S</mml:mi></mml:math></inline-formula> in the form
          <disp-formula id="Ch1.E103" content-type="numbered"><label>103</label><mml:math id="M568" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        where <inline-formula><mml:math id="M569" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the incremental of <inline-formula><mml:math id="M570" display="inline"><mml:mi>S</mml:mi></mml:math></inline-formula> given by the original deterministic system. The term <inline-formula><mml:math id="M571" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the additional stochastic incremental of <inline-formula><mml:math id="M572" display="inline"><mml:mi>S</mml:mi></mml:math></inline-formula> caused by the perturbation scheme.</p>
      <p id="d1e19814">In this paper, we generalize this scheme to a mixed type of tensor fields <inline-formula><mml:math id="M573" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. A key point is indeed to link the state variable <inline-formula><mml:math id="M574" display="inline"><mml:mi>S</mml:mi></mml:math></inline-formula> with some tensor field <inline-formula><mml:math id="M575" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The choice of <inline-formula><mml:math id="M576" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> can then correspond to the conservation laws of certain quantities. We describe in detail how to calculate <inline-formula><mml:math id="M577" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M578" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and present results for several examples corresponding to different choices of <inline-formula><mml:math id="M579" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. We also discussed about the conservation laws for these examples. We emphasize that Brenier's theorem merely serves as the motivation but not the theoretical foundation of the proposed scheme, since the optimality of the displacement vector field needs to be rigorously defined for general tensor fields <inline-formula><mml:math id="M580" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> that are not positive differential <inline-formula><mml:math id="M581" display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> forms.</p>
      <p id="d1e19894">Interestingly, similarities and differences can be studied between the proposed perturbation scheme and the existing stochastic physical SALT and LU settings  <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx14 bib1.bibx26 bib1.bibx35" id="paren.71"/>. In particular, both SALT and LU equations can be recovered using a prescribed definition of the random diffeomorphism <inline-formula><mml:math id="M582" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> used by the perturbation scheme. For illustration, a stochastic version of the thermal shallow water equation is presented.
Compared with SALT and LU settings  <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx14 bib1.bibx26 bib1.bibx35" id="paren.72"/>, the proposed perturbation scheme does not directly rely on the physics. Hence it is more flexible and can be applied to any PDE. Yet, the proposed derivation also provides interesting means to interpret the operator <inline-formula><mml:math id="M583" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="fraktur">L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, appearing in the SALT equation. In terms of the optimal transportation, this term represents the infinitesimal forecast error at every forecast time step.</p>
      <p id="d1e19940">In order to apply the proposed perturbation scheme to any specific model, the parameters <inline-formula><mml:math id="M584" display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M585" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> must be determined specifically. Hence it is necessary to learn these parameters from existing data, experimental runs, or additional physical considerations <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx37 bib1.bibx38" id="paren.73"/>. We anticipate this framework naturally provides a new perspective on how to learn these parameters. Likely, this task will invoke the need of numerical algorithms to estimate the optimal transportation map for general differential <inline-formula><mml:math id="M586" display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> forms or even mixed type of tensor fields. This will be the subject of future investigations.</p>
</sec>

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

<app id="App1.Ch1.S1">
  <?xmltex \currentcnt{A}?><label>Appendix A</label><?xmltex \opttitle{Calculation of $T_{t}^{{-1}}$}?><title>Calculation of <inline-formula><mml:math id="M587" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></title>
      <?pagebreak page249?><p id="d1e19998">Suppose that
          <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E104" content-type="numbered"><label>A1</label><mml:math id="M588" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        We assume that <inline-formula><mml:math id="M589" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> has the following form of expression:
          <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E105" content-type="numbered"><label>A2</label><mml:math id="M590" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        Our goal is to find <inline-formula><mml:math id="M591" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M592" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
Then we have
          <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E106" content-type="numbered"><label>A3</label><mml:math id="M593" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow/><mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mrow/><mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
        Similar to the derivation in Sect. 3.1, we apply Taylor expansion  and Itô's lemma and drop the terms of the higher-order infinitesimal:
          <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E107" content-type="numbered"><label>A4</label><mml:math id="M594" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow/><mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow/><mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>o</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mrow/><mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mrow/><mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow/><mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>o</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
        Therefore,
          <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E108" content-type="numbered"><label>A5</label><mml:math id="M595" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>o</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
        This implies that

              <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M596" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E109"><mml:mtd><mml:mtext>A6</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E110"><mml:mtd><mml:mtext>A7</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          Therefore,

              <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M597" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E111"><mml:mtd><mml:mtext>A8</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E112"><mml:mtd><mml:mtext>A9</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          or equivalently,
          <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E113" content-type="numbered"><label>A10</label><mml:math id="M598" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
</app>

<app id="App1.Ch1.S2">
  <?xmltex \currentcnt{B}?><label>Appendix B</label><?xmltex \opttitle{Derivation of $T_{t}^{*}\theta$}?><title>Derivation of <inline-formula><mml:math id="M599" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula></title>
      <p id="d1e20851">Given coordinates <inline-formula><mml:math id="M600" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, when <inline-formula><mml:math id="M601" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a differential <inline-formula><mml:math id="M602" display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> form, it can be written as
          <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E114" content-type="numbered"><label>B1</label><mml:math id="M603" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        Since <inline-formula><mml:math id="M604" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is linear, we may assume that
          <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E115" content-type="numbered"><label>B2</label><mml:math id="M605" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        for some <inline-formula><mml:math id="M606" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>≤</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Let <inline-formula><mml:math id="M607" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, then
          <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E116" content-type="numbered"><label>B3</label><mml:math id="M608" display="block"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        We calculate <inline-formula><mml:math id="M609" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M610" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> separately.
We denote <inline-formula><mml:math id="M611" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M612" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the Hessian matrix of <inline-formula><mml:math id="M613" display="inline"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula>. At a given time <inline-formula><mml:math id="M614" display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M615" display="inline"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> is assumed independent from the noise <inline-formula><mml:math id="M616" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Then

              <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M617" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E117"><mml:mtd><mml:mtext>B4</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>〈</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>〉</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>⊤</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>o</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E118"><mml:mtd><mml:mtext>B5</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>〈</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</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:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⊤</mml:mo></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E119"><mml:mtd><mml:mtext>B6</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>o</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>o</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>o</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          According to Itô's lemma, <inline-formula><mml:math id="M618" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and we can replace <inline-formula><mml:math id="M619" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math id="M620" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Hence,

              <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M621" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E120"><mml:mtd><mml:mtext>B7</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>〈</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>〉</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>〈</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>〉</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⊤</mml:mo></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>o</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E121"><mml:mtd><mml:mtext>B8</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow/><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>〈</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>〉</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mrow/><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>〈</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>〉</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>o</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <?pagebreak page250?><p id="d1e21985">Next,
          <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E122" content-type="numbered"><label>B9</label><mml:math id="M622" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
        Note that <inline-formula><mml:math id="M623" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M624" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> refer to the spatial differentiation.
Again, we apply the “discrete version” of Itô's rule <inline-formula><mml:math id="M625" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and collect all the terms of order <inline-formula><mml:math id="M626" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M627" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>:
          <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E123" content-type="numbered"><label>B10</label><mml:math id="M628" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow/><mml:mo>(</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:munderover><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow/><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow/><mml:mo>(</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow/><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow/><mml:mo>(</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow/><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>o</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
        According to the chain rule, <inline-formula><mml:math id="M629" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M630" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Note that <inline-formula><mml:math id="M631" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> refers to the <inline-formula><mml:math id="M632" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>th component of <inline-formula><mml:math id="M633" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M634" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M635" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>∈</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the <inline-formula><mml:math id="M636" display="inline"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula>th basis vector field of <inline-formula><mml:math id="M637" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Hence,
          <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E124" content-type="numbered"><label>B11</label><mml:math id="M638" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow/><mml:mo>(</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow/><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow/><mml:mo>(</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow/><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow/><mml:mo>(</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow/><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>o</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d1e23288">Combining Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S2.E121"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S2.E124"/>),  with application of Itô's lemma, all terms of order <inline-formula><mml:math id="M639" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are then removed, to obtain
          <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E125" content-type="numbered"><label>B12</label><mml:math id="M640" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow/><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:mrow/><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>〈</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>〉</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⊤</mml:mo></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mrow/><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>f</mml:mi><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow/><mml:mo>(</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mi>f</mml:mi><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow/><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow/><mml:mo>(</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:munderover><mml:mo>〈</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>〉</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow/><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow/><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow/><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:mo>〈</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>〉</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>f</mml:mi><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>∧</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow/><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>o</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d1e23951">To simplify Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S2.E125"/>), wedge algebra is applied, and
the high-order infinitesimal <inline-formula><mml:math id="M641" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is ignored. Accordingly, <inline-formula><mml:math id="M642" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is more compactly written as
          <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E126" content-type="numbered"><label>B13</label><mml:math id="M643" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        for some differential <inline-formula><mml:math id="M644" display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> forms <inline-formula><mml:math id="M645" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M646" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
</app>
  </app-group><notes notes-type="dataavailability"><title>Data availability</title>

      <p id="d1e24086">No data sets were used in this article.</p>
  </notes><notes notes-type="authorcontribution"><title>Author contributions</title>

      <p id="d1e24092">YZ contributed the main idea and mathematical derivation and wrote the first draft of the paper. VR contributed all the physical interpretations of the derived equations, a much more detailed introduction, and a more detailed comparison of the proposed scheme with the LU equation. BC contributed his insight and enthusiasm to this problem and worked on the writing of the draft. This work was done based on the fruitful discussion of all the three authors since a very early stage.</p>
  </notes><notes notes-type="competinginterests"><title>Competing interests</title>

      <p id="d1e24098">The contact author has declared that none of the authors has any competing interests.</p>
  </notes><notes notes-type="disclaimer"><title>Disclaimer</title>

      <p id="d1e24104">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="d1e24111">The authors would like to express their gratitude towards Wei Pan, Darryl Holm, Dan Crisan, Long Li, and Etienne Mémin for their patient explanation and insightful discussion. The research of Yicun Zhen was supported by the ANR Melody project when he was a postdoc at Ifremer. The research of Valentin Resseguier is supported by the company SCALIAN DS and by France Relance through the MORAANE project. The research of Bertrand Chapron is supported by ERC EU SYNERGY project no. 856408-STUOD and the ANR Melody project.</p></ack><notes notes-type="financialsupport"><title>Financial support</title>

      <p id="d1e24116">This research has been supported by the Agence Nationale de la Recherche, Labex Immuno-Oncology (Melody), the European Research Council, H2020 (grant no. STUOD (856408)), the company SCALIAN DS and France Relance through the MORAANE project.</p>
  </notes><notes notes-type="reviewstatement"><title>Review statement</title>

      <p id="d1e24122">This paper was edited by Jinqiao Duan and reviewed by Daniel Goodair and Baylor Fox-Kemper.</p>
  </notes><ref-list>
    <title>References</title>

      <ref id="bib1.bibx1"><?xmltex \def\ref@label{{Anderson(2007)}}?><label>Anderson(2007)</label><?label Anderson2007AnAC?><mixed-citation>
Anderson, J. L.: An adaptive covariance inflation error correction algorithm
for ensemble filters, Tellus A, 59, 210–224,
2007.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx2"><?xmltex \def\ref@label{{Berner et~al.(2009)Berner, Shutts, Leutbecher, and
Palmer}}?><label>Berner et al.(2009)Berner, Shutts, Leutbecher, and
Palmer</label><?label berner2009spectral?><mixed-citation>
Berner, J., Shutts, G., Leutbecher, M., and Palmer, T.: A spectral stochastic
kinetic energy backscatter scheme and its impact on flow-dependent
predictability in the ECMWF ensemble prediction system, J. Atmos. Sci., 66,
603–626, 2009.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx3"><?xmltex \def\ref@label{{Brenier(1991)}}?><label>Brenier(1991)</label><?label Brenier1991?><mixed-citation>
Brenier, Y.: Polar factorization and monotone rearrangement of vector-valued
functions, Commun. Pur. Appl. Math., 44, 375–417, 1991.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx4"><?xmltex \def\ref@label{{Brze{\'{z}}niak et~al.(1991)Brze{\'{z}}niak, Capi{\'{n}}ski, and
Flandoli}}?><label>Brzeźniak et al.(1991)Brzeźniak, Capiński, and
Flandoli</label><?label brzezniak1991stochastic?><mixed-citation>
Brzeźniak, Z., Capiński, M., and Flandoli, F.: Stochastic partial
differential equations and turbulence, Math. Models Methods Appl. Sci., 1,
41–59, 1991.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx5"><?xmltex \def\ref@label{{Buizza et~al.(1999)Buizza, Miller, and Palmer}}?><label>Buizza et al.(1999)Buizza, Miller, and Palmer</label><?label Buizza99?><mixed-citation>
Buizza, R., Miller, M., and Palmer, T.: Stochastic representation of model
uncertainties in the ECMWF Ensemble Prediction System, Q. J. Roy. Meteor.
Soc., 125, 2887–2908, 1999.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx6"><?xmltex \def\ref@label{{Chern et~al.(1999)Chern, Chen, and Lam}}?><label>Chern et al.(1999)Chern, Chen, and Lam</label><?label Chern1999LecturesDiffGeo?><mixed-citation>Chern, S. S., Chen, W. H., and Lam, K. S.: Lectures on Differential Geometry,
World Scientific, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1142/3812" ext-link-type="DOI">10.1142/3812</ext-link>, 1999.</mixed-citation></ref>
      <?pagebreak page251?><ref id="bib1.bibx7"><?xmltex \def\ref@label{{Daum and Huang(2003)}}?><label>Daum and Huang(2003)</label><?label Daum2003CurseOD?><mixed-citation>Daum, F. E. and Huang, J.: Curse of dimensionality and particle filters, 2003
IEEE Aerospace Conference Proceedings (Cat. No.03TH8652), 4,
4_1979–4_1993, Big Sky, MT, USA,  8–15 March 2003, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1109/AERO.2003.1235126" ext-link-type="DOI">10.1109/AERO.2003.1235126</ext-link>, 2003.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx8"><?xmltex \def\ref@label{{Flandoli(2011)}}?><label>Flandoli(2011)</label><?label flandoli2011interaction?><mixed-citation>
Flandoli, F.: The interaction between noise and transport mechanisms in PDEs,
Milan J. Math., 79, 543–560, 2011.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx9"><?xmltex \def\ref@label{{Frank and Gottwald(2013)}}?><label>Frank and Gottwald(2013)</label><?label frank2013stochastic?><mixed-citation>
Frank, J. E. and Gottwald, G. A.: Stochastic homogenization for an energy
conserving multi-scale toy model of the atmosphere, Physica D, 254, 46–56, 2013.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx10"><?xmltex \def\ref@label{{Franzke et~al.(2015)Franzke, O'Kane, Berner, Williams, and
Lucarini}}?><label>Franzke et al.(2015)Franzke, O'Kane, Berner, Williams, and
Lucarini</label><?label Franzke15?><mixed-citation>Franzke, C., O'Kane, T., Berner, J., Williams, P., and Lucarini, V.: Stochastic
climate theory and modeling, Wiley Interdiscip. Rev.: Clim. Change, 6,
63–78, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1002/wcc.318" ext-link-type="DOI">10.1002/wcc.318</ext-link>, 2015.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx11"><?xmltex \def\ref@label{{Gugole and Franzke(2019)}}?><label>Gugole and Franzke(2019)</label><?label Gugole2019?><mixed-citation>Gugole, F. and Franzke, C.: Numerical development and evaluation of an energy
conserving conceptual stochastic climate model, Math. Clim. Weather
Forecast.,  5, 45–64, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1515/mcwf-2019-0004" ext-link-type="DOI">10.1515/mcwf-2019-0004</ext-link>, 2019.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx12"><?xmltex \def\ref@label{{Harlim and Majda(2010)}}?><label>Harlim and Majda(2010)</label><?label Harlim2010CatastrophicFD?><mixed-citation>
Harlim, J. and Majda, A. J.: Catastrophic filter divergence in filtering
nonlinear dissipative systems, Commun. Math. Sci., 8, 27–43, 2010.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx13"><?xmltex \def\ref@label{{Hasselmann(1976)}}?><label>Hasselmann(1976)</label><?label Hasselmann76?><mixed-citation>
Hasselmann, K.: Stochastic climate models. Part I: theory, Tellus, 28,
473–485, 1976.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx14"><?xmltex \def\ref@label{{Holm(2015)}}?><label>Holm(2015)</label><?label Holm2015VariationalPF?><mixed-citation>Holm, D. D.: Variational principles for stochastic fluid dynamics, Proc. Math.
Phys. Eng. Sci., 471, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1098/rspa.2014.0963" ext-link-type="DOI">10.1098/rspa.2014.0963</ext-link>, 2015.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx15"><?xmltex \def\ref@label{{Holm and Luesink(2021)}}?><label>Holm and Luesink(2021)</label><?label Holm2021StochasticWI?><mixed-citation>Holm, D. D. and Luesink, E.: Stochastic Wave–Current Interaction in Thermal
Shallow Water Dynamics, J. Nonlinear Sci., 31, 29, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1007/s00332-021-09682-9" ext-link-type="DOI">10.1007/s00332-021-09682-9</ext-link>, 2021.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx16"><?xmltex \def\ref@label{{Houtekamer and Mitchell(2001)}}?><label>Houtekamer and Mitchell(2001)</label><?label Houtekamer2001ASE?><mixed-citation>
Houtekamer, P. and Mitchell, H. L.: A Sequential Ensemble Kalman Filter for
Atmospheric Data Assimilation, Mon. Wather Rev., 129, 123–137, 2001.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx17"><?xmltex \def\ref@label{{Jain et~al.(2014)Jain, Timofeyev, and
Vanden-Eijnden}}?><label>Jain et al.(2014)Jain, Timofeyev, and
Vanden-Eijnden</label><?label jain2014stochastic?><mixed-citation>Jain, A., Timofeyev, I., and Vanden-Eijnden, E.: Stochastic mode-reduction in
models with conservative fast sub-systems, arXiv [preprint], <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.48550/arXiv.1410.3004" ext-link-type="DOI">10.48550/arXiv.1410.3004</ext-link>,
2014.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx18"><?xmltex \def\ref@label{{Kotsuki et~al.(2017)Kotsuki, Ota, and
Miyoshi}}?><label>Kotsuki et al.(2017)Kotsuki, Ota, and
Miyoshi</label><?label Kotsuki2017AdaptiveAtmosphere?><mixed-citation>
Kotsuki, S., Ota, Y., and Miyoshi, T.: Adaptive covariance relaxation methods
for ensemble data assimilation: Experiments in the real atmosphere, Q. J. Roy.
Meteor. Soc., 143, 2001–2015, 2017.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx19"><?xmltex \def\ref@label{{Kunita(1997)}}?><label>Kunita(1997)</label><?label Kunita?><mixed-citation>
Kunita, H.: Stochastic flows and stochastic differential equations, vol. 24,
Cambridge university press, 1997.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx20"><?xmltex \def\ref@label{{Leith(1971)}}?><label>Leith(1971)</label><?label Leith71?><mixed-citation>
Leith, C.: Atmospheric predictability and two-dimensional turbulence, J. Atmos.
Sci., 28, 145–161, 1971.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx21"><?xmltex \def\ref@label{{Leon(2021)}}?><label>Leon(2021)</label><?label bethencourtdeleon2021?><mixed-citation>Leon, A. B. D.: On the effect of stochastic Lie transport noise on fluid
dynamic equations, PhD thesis, Imperial College London, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.25560/89936" ext-link-type="DOI">10.25560/89936</ext-link>, 2021.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx22"><?xmltex \def\ref@label{{Leroux et~al.(2022)Leroux, Brankart, Albert, Brodeau, Molines, Jamet,
Le~Sommer, Penduff, and Brasseur}}?><label>Leroux et al.(2022)Leroux, Brankart, Albert, Brodeau, Molines, Jamet,
Le Sommer, Penduff, and Brasseur</label><?label leroux2022ensemble?><mixed-citation>Leroux, S., Brankart, J.-M., Albert, A., Brodeau, L., Molines, J.-M., Jamet, Q., Le Sommer, J., Penduff, T., and Brasseur, P.: Ensemble quantification of short-term predictability of the ocean dynamics at a kilometric-scale resolution: a Western Mediterranean test case, Ocean Sci., 18, 1619–1644, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5194/os-18-1619-2022" ext-link-type="DOI">10.5194/os-18-1619-2022</ext-link>, 2022.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx23"><?xmltex \def\ref@label{{Leutbechner et~al.(2016)Leutbechner, Ollinaha, Lock, Lang, Bechtold,
Beljaars, Bozzo, Forbes, Haiden, and
Sandu}}?><label>Leutbechner et al.(2016)Leutbechner, Ollinaha, Lock, Lang, Bechtold,
Beljaars, Bozzo, Forbes, Haiden, and
Sandu</label><?label ECMWF_Workshop_ECMWF_Leutbechner?><mixed-citation>
Leutbechner, M., Ollinaha, P., Lock, S.-J., Lang, S., Bechtold, P., Beljaars,
A., Bozzo, A., Forbes, R., Haiden, T. Hogan, R., and Sandu, I.: Stochastic
representations of model uncertainties in the IFS, in: ECMWF/WWRP Workshop:
Model Uncertainty, ECMWF, Reading, 2016.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx24"><?xmltex \def\ref@label{{Li et~al.(2009)Li, Kalnay, and Miyoshi}}?><label>Li et al.(2009)Li, Kalnay, and Miyoshi</label><?label Li2009SimultaneousEO?><mixed-citation>Li, H., Kalnay, E., and Miyoshi, T.: Simultaneous estimation of covariance
inflation and observation errors within an ensemble Kalman filter, Q. J. Roy.
Meteor. Soc., 135, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1002/qj.371" ext-link-type="DOI">10.1002/qj.371</ext-link>, 2009.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx25"><?xmltex \def\ref@label{{Majda et~al.(1999)Majda, Timofeyev, and
VandenEijnden}}?><label>Majda et al.(1999)Majda, Timofeyev, and
VandenEijnden</label><?label Majda1999ModelsFS?><mixed-citation>
Majda, A. J., Timofeyev, I., and VandenEijnden, E.: Models for stochastic
climate prediction, P. Natl. Acad. Sci. USA, 96 26, 14687–14691, 1999.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx26"><?xmltex \def\ref@label{{M{\'{e}}min(2014)}}?><label>Mémin(2014)</label><?label Memin2013FluidFD?><mixed-citation>
Mémin, E.: Fluid flow dynamics under location uncertainty,
Geophys. Astro. Fluid, 108, 119–146, 2014.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx27"><?xmltex \def\ref@label{{Mikulevicius and Rozovskii(2004)}}?><label>Mikulevicius and Rozovskii(2004)</label><?label Mikulevicius2004StochasticNE?><mixed-citation>
Mikulevicius, R. and Rozovskii, B.: Stochastic Navier-Stokes Equations for
Turbulent Flows, SIAM J. Math. Anal., 35, 1250–1310, 2004.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx28"><?xmltex \def\ref@label{{Miyoshi(2011)}}?><label>Miyoshi(2011)</label><?label Miyoshi2011TheFilter?><mixed-citation>
Miyoshi, T.: The Gaussian Approach to Adaptive Covariance Inflation and Its
Implementation with the Local Ensemble Transform Kalman Filter, Mon. Wather
Rev., 139, 1519–1535, 2011.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx29"><?xmltex \def\ref@label{{Orszag(1970)}}?><label>Orszag(1970)</label><?label orszag1970analytical?><mixed-citation>
Orszag, S.: Analytical theories of turbulence, J. Fluid Mech., 41, 363–386,
1970.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx30"><?xmltex \def\ref@label{{Penland and Sardeshmukh(1995)}}?><label>Penland and Sardeshmukh(1995)</label><?label penland1995optimal?><mixed-citation>Penland, C. and Sardeshmukh, P.: The optimal growth of tropical sea surface
temperature anomalies, J. Climate, 8, 1999–2024, 1995.
 </mixed-citation></ref><?xmltex \hack{\newpage}?>
      <ref id="bib1.bibx31"><?xmltex \def\ref@label{{Pope(1994)}}?><label>Pope(1994)</label><?label Pope94?><mixed-citation>
Pope, S.: Lagrangian PDF methods for turbulent flows, Annu. Rev. Fluid
Mech., 26, 23–63, 1994.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx32"><?xmltex \def\ref@label{{Poterjoy(2016)}}?><label>Poterjoy(2016)</label><?label Poterjoy2016ALP?><mixed-citation>
Poterjoy, J.: A Localized Particle Filter for High-Dimensional Nonlinear
Systems, Mon. Wather Rev., 144, 59–76, 2016.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx33"><?xmltex \def\ref@label{{Raanes et~al.(2019)Raanes, Bocquet, and
Carrassi}}?><label>Raanes et al.(2019)Raanes, Bocquet, and
Carrassi</label><?label Raanes2019AdaptiveCI?><mixed-citation>
Raanes, P. N., Bocquet, M., and Carrassi, A.: Adaptive covariance inflation in
the ensemble Kalman filter by Gaussian scale mixtures, Q. J. Roy. Meteor.
Soc., 145, 53–75, 2019.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx34"><?xmltex \def\ref@label{{Resseguier(2017)}}?><label>Resseguier(2017)</label><?label resseguier2017mixing?><mixed-citation>
Resseguier, V.: Mixing and fluid dynamics under location uncertainty, PhD
thesis, Université Rennes 1, 2017.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx35"><?xmltex \def\ref@label{{Resseguier et~al.(2017{\natexlab{a}})Resseguier, M{\'{e}}min, and
Chapron}}?><label>Resseguier et al.(2017a)Resseguier, Mémin, and
Chapron</label><?label Resseguier2016GeophysicalFU?><mixed-citation>
Resseguier, V., Mémin, E., and Chapron, B.: Geophysical flows under
location uncertainty, Part I Random transport and general models, Geophys. Astro. Fluid, 111, 149–176, 2017a.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx36"><?xmltex \def\ref@label{{Resseguier et~al.(2017{\natexlab{b}})Resseguier, M{\'{e}}min, and
Chapron}}?><label>Resseguier et al.(2017b)Resseguier, Mémin, and
Chapron</label><?label resseguier2016geo2?><mixed-citation>
Resseguier, V., Mémin, E., and Chapron, B.: Geophysical flows under
location uncertainty, Part II Quasi-geostrophy and efficient ensemble
spreading, Geophys. Astro. Fluid, 111, 177–208, 2017b.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx37"><?xmltex \def\ref@label{{Resseguier et~al.(2020)Resseguier, Pan, and
Fox-Kemper}}?><label>Resseguier et al.(2020)Resseguier, Pan, and
Fox-Kemper</label><?label resseguier2020data?><mixed-citation>Resseguier, V., Pan, W., and Fox-Kemper, B.: Data-driven versus self-similar parameterizations for stochastic advection by Lie transport and location uncertainty, Nonlin. Processes Geophys., 27, 209–234, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5194/npg-27-209-2020" ext-link-type="DOI">10.5194/npg-27-209-2020</ext-link>, 2020.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx38"><?xmltex \def\ref@label{{Resseguier et~al.(2021)Resseguier, Li, Jouan, D{\'{e}}rian, M{\'{e}}min,
and Chapron}}?><label>Resseguier et al.(2021)Resseguier, Li, Jouan, Dérian, Mémin,
and Chapron</label><?label resseguier2021new?><mixed-citation>
Resseguier, V., Li, L., Jouan, G., Dérian, P., Mémin, E., and Chapron,
B.: New trends in ensemble forecast strategy: uncertainty quantification for
coarse-grid computational fluid dynamics, Arch. Comput. Methods E., 28,
215–261, 2021.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx39"><?xmltex \def\ref@label{{Reynolds et~al.(2016)Reynolds, Leutbecher, Batté, Chen, Christensen,
Klasa, Pegion, Plant, Raynaud, Roberts, Sandu, Singleton, Sommer, Swinbank,
Tennant, and Theis}}?><label>Reynolds et al.(2016)Reynolds, Leutbecher, Batté, Chen, Christensen,
Klasa, Pegion, Plant, Raynaud, Roberts, Sandu, Singleton, Sommer, Swinbank,
Tennant, and Theis</label><?label ECMWF_Workshop_working_group3?><mixed-citation>
Reynolds, C., Leutbecher, M., Batté, L., Chen, S., Christensen, H., Klasa, C.,
Pegion, P., Plant, B., Raynaud, L., Roberts, N., Sandu, I., Singleton, A.,
Sommer, M., Swinbank, R., Tennant, W., and Theis, S.: Reports from working
group 3 : What are the pros/cons of existing model uncertainty schemes and
how should these be measured?, in: ECMWF/WWRP Workshop: Model Uncertainty,
ECMWF, Reading, 2016.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx40"><?xmltex \def\ref@label{{Sapsis and Majda(2013)}}?><label>Sapsis and Majda(2013)</label><?label sapsis2013MQG?><mixed-citation>
Sapsis, T. and Majda, A.: A statistically accurate modified quasilinear
Gaussian closure for uncertainty quantification in turbulent dynamical
systems, Physica D, 252, 34–45, 2013.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx41"><?xmltex \def\ref@label{{Schlee et~al.(1966)Schlee, Standish, and
Toda}}?><label>Schlee et al.(1966)Schlee, Standish, and
Toda</label><?label Schlee1966DivergenceIT?><mixed-citation>
Schlee, F. H., Standish, C. J., and Toda, N. F.: Divergence in the Kalman
Filter, AIAA J., 5, 1114–1120, 1966.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx42"><?xmltex \def\ref@label{{Tandeo et~al.(2020)Tandeo, Ailliot, Bocquet, Carrassi, Carrassi,
Miyoshi, Pulido, Pulido, and Zhen}}?><label>Tandeo et al.(2020)Tandeo, Ailliot, Bocquet, Carrassi, Carrassi,
Miyoshi, Pulido, Pulido, and Zhen</label><?label Tandeo2020ARO?><mixed-citation>Tandeo, P., Ailliot, P., Bocquet, M., Carrassi, A., Carrassi, A., Miyoshi, T.,
Pulido, M., Pulido, M., and Zhen, Y.: A Review of Innovation-Based Methods to
Jointly Estimate Model and Observation Error Covariance Matrices in Ensemble
Data Assimilation, Mon. Wather Rev., 3973–3994, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1175/MWR-D-19-0240.1" ext-link-type="DOI">10.1175/MWR-D-19-0240.1</ext-link>, 2020.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx43"><?xmltex \def\ref@label{{Tibshirani and Knight(1999)}}?><label>Tibshirani and Knight(1999)</label><?label Tibshirani1999TheCI?><mixed-citation>Tibshirani, R. and Knight, K.: The Covariance Inflation Criterion for Adaptive
Model Selection, J. R. Stat. Soc. B, 61, 529–546, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1111/1467-9868.00191" ext-link-type="DOI">10.1111/1467-9868.00191</ext-link>, 1999.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx44"><?xmltex \def\ref@label{{Warneford and Dellar(2013)}}?><label>Warneford and Dellar(2013)</label><?label Warneford2013TheQT?><mixed-citation>
Warneford, E. S. and Dellar, P. J.: The quasi-geostrophic theory of the thermal
shallow water equations, J. Fluid Mech., 723, 374–403, 2013.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx45"><?xmltex \def\ref@label{{Ying and Zhang(2015)}}?><label>Ying and Zhang(2015)</label><?label Ying2015AnAC?><mixed-citation>Ying, Y. and Zhang, F.: An adaptive covariance relaxation method for ensemble
data assimilation, Q. J. Roy. Meteor. Soc., 141, 2898—2906, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1002/qj.2576" ext-link-type="DOI">10.1002/qj.2576</ext-link>, 2015.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx46"><?xmltex \def\ref@label{{Zhen and Harlim(2015)}}?><label>Zhen and Harlim(2015)</label><?label Zhen2015AdaptiveFilters?><mixed-citation>
Zhen, Y. and Harlim, J.: Adaptive error covariances estimation methods for
ensemble Kalman filters, J. Comput. Phys., 294, 619–638, 2015.</mixed-citation></ref>

  </ref-list></back>
    <!--<article-title-html>Physically constrained covariance inflation from location uncertainty</article-title-html>
<abstract-html/>
<ref-html id="bib1.bib1"><label>Anderson(2007)</label><mixed-citation>
      
Anderson, J. L.: An adaptive covariance inflation error correction algorithm
for ensemble filters, Tellus A, 59, 210–224,
2007.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib2"><label>Berner et al.(2009)Berner, Shutts, Leutbecher, and
Palmer</label><mixed-citation>
      
Berner, J., Shutts, G., Leutbecher, M., and Palmer, T.: A spectral stochastic
kinetic energy backscatter scheme and its impact on flow-dependent
predictability in the ECMWF ensemble prediction system, J. Atmos. Sci., 66,
603–626, 2009.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib3"><label>Brenier(1991)</label><mixed-citation>
      
Brenier, Y.: Polar factorization and monotone rearrangement of vector-valued
functions, Commun. Pur. Appl. Math., 44, 375–417, 1991.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib4"><label>Brzeźniak et al.(1991)Brzeźniak, Capiński, and
Flandoli</label><mixed-citation>
      
Brzeźniak, Z., Capiński, M., and Flandoli, F.: Stochastic partial
differential equations and turbulence, Math. Models Methods Appl. Sci., 1,
41–59, 1991.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib5"><label>Buizza et al.(1999)Buizza, Miller, and Palmer</label><mixed-citation>
      
Buizza, R., Miller, M., and Palmer, T.: Stochastic representation of model
uncertainties in the ECMWF Ensemble Prediction System, Q. J. Roy. Meteor.
Soc., 125, 2887–2908, 1999.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib6"><label>Chern et al.(1999)Chern, Chen, and Lam</label><mixed-citation>
      
Chern, S. S., Chen, W. H., and Lam, K. S.: Lectures on Differential Geometry,
World Scientific, <a href="https://doi.org/10.1142/3812" target="_blank">https://doi.org/10.1142/3812</a>, 1999.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib7"><label>Daum and Huang(2003)</label><mixed-citation>
      
Daum, F. E. and Huang, J.: Curse of dimensionality and particle filters, 2003
IEEE Aerospace Conference Proceedings (Cat. No.03TH8652), 4,
4_1979–4_1993, Big Sky, MT, USA,  8–15 March 2003, <a href="https://doi.org/10.1109/AERO.2003.1235126" target="_blank">https://doi.org/10.1109/AERO.2003.1235126</a>, 2003.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib8"><label>Flandoli(2011)</label><mixed-citation>
      
Flandoli, F.: The interaction between noise and transport mechanisms in PDEs,
Milan J. Math., 79, 543–560, 2011.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib9"><label>Frank and Gottwald(2013)</label><mixed-citation>
      
Frank, J. E. and Gottwald, G. A.: Stochastic homogenization for an energy
conserving multi-scale toy model of the atmosphere, Physica D, 254, 46–56, 2013.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib10"><label>Franzke et al.(2015)Franzke, O'Kane, Berner, Williams, and
Lucarini</label><mixed-citation>
      
Franzke, C., O'Kane, T., Berner, J., Williams, P., and Lucarini, V.: Stochastic
climate theory and modeling, Wiley Interdiscip. Rev.: Clim. Change, 6,
63–78, <a href="https://doi.org/10.1002/wcc.318" target="_blank">https://doi.org/10.1002/wcc.318</a>, 2015.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib11"><label>Gugole and Franzke(2019)</label><mixed-citation>
      
Gugole, F. and Franzke, C.: Numerical development and evaluation of an energy
conserving conceptual stochastic climate model, Math. Clim. Weather
Forecast.,  5, 45–64, <a href="https://doi.org/10.1515/mcwf-2019-0004" target="_blank">https://doi.org/10.1515/mcwf-2019-0004</a>, 2019.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib12"><label>Harlim and Majda(2010)</label><mixed-citation>
      
Harlim, J. and Majda, A. J.: Catastrophic filter divergence in filtering
nonlinear dissipative systems, Commun. Math. Sci., 8, 27–43, 2010.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib13"><label>Hasselmann(1976)</label><mixed-citation>
      
Hasselmann, K.: Stochastic climate models. Part I: theory, Tellus, 28,
473–485, 1976.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib14"><label>Holm(2015)</label><mixed-citation>
      
Holm, D. D.: Variational principles for stochastic fluid dynamics, Proc. Math.
Phys. Eng. Sci., 471, <a href="https://doi.org/10.1098/rspa.2014.0963" target="_blank">https://doi.org/10.1098/rspa.2014.0963</a>, 2015.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib15"><label>Holm and Luesink(2021)</label><mixed-citation>
      
Holm, D. D. and Luesink, E.: Stochastic Wave–Current Interaction in Thermal
Shallow Water Dynamics, J. Nonlinear Sci., 31, 29, <a href="https://doi.org/10.1007/s00332-021-09682-9" target="_blank">https://doi.org/10.1007/s00332-021-09682-9</a>, 2021.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib16"><label>Houtekamer and Mitchell(2001)</label><mixed-citation>
      
Houtekamer, P. and Mitchell, H. L.: A Sequential Ensemble Kalman Filter for
Atmospheric Data Assimilation, Mon. Wather Rev., 129, 123–137, 2001.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib17"><label>Jain et al.(2014)Jain, Timofeyev, and
Vanden-Eijnden</label><mixed-citation>
      
Jain, A., Timofeyev, I., and Vanden-Eijnden, E.: Stochastic mode-reduction in
models with conservative fast sub-systems, arXiv [preprint], <a href="https://doi.org/10.48550/arXiv.1410.3004" target="_blank">https://doi.org/10.48550/arXiv.1410.3004</a>,
2014.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib18"><label>Kotsuki et al.(2017)Kotsuki, Ota, and
Miyoshi</label><mixed-citation>
      
Kotsuki, S., Ota, Y., and Miyoshi, T.: Adaptive covariance relaxation methods
for ensemble data assimilation: Experiments in the real atmosphere, Q. J. Roy.
Meteor. Soc., 143, 2001–2015, 2017.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib19"><label>Kunita(1997)</label><mixed-citation>
      
Kunita, H.: Stochastic flows and stochastic differential equations, vol. 24,
Cambridge university press, 1997.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib20"><label>Leith(1971)</label><mixed-citation>
      
Leith, C.: Atmospheric predictability and two-dimensional turbulence, J. Atmos.
Sci., 28, 145–161, 1971.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib21"><label>Leon(2021)</label><mixed-citation>
      
Leon, A. B. D.: On the effect of stochastic Lie transport noise on fluid
dynamic equations, PhD thesis, Imperial College London, <a href="https://doi.org/10.25560/89936" target="_blank">https://doi.org/10.25560/89936</a>, 2021.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib22"><label>Leroux et al.(2022)Leroux, Brankart, Albert, Brodeau, Molines, Jamet,
Le Sommer, Penduff, and Brasseur</label><mixed-citation>
      
Leroux, S., Brankart, J.-M., Albert, A., Brodeau, L., Molines, J.-M., Jamet, Q., Le Sommer, J., Penduff, T., and Brasseur, P.: Ensemble quantification of short-term predictability of the ocean dynamics at a kilometric-scale resolution: a Western Mediterranean test case, Ocean Sci., 18, 1619–1644, <a href="https://doi.org/10.5194/os-18-1619-2022" target="_blank">https://doi.org/10.5194/os-18-1619-2022</a>, 2022.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib23"><label>Leutbechner et al.(2016)Leutbechner, Ollinaha, Lock, Lang, Bechtold,
Beljaars, Bozzo, Forbes, Haiden, and
Sandu</label><mixed-citation>
      
Leutbechner, M., Ollinaha, P., Lock, S.-J., Lang, S., Bechtold, P., Beljaars,
A., Bozzo, A., Forbes, R., Haiden, T. Hogan, R., and Sandu, I.: Stochastic
representations of model uncertainties in the IFS, in: ECMWF/WWRP Workshop:
Model Uncertainty, ECMWF, Reading, 2016.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib24"><label>Li et al.(2009)Li, Kalnay, and Miyoshi</label><mixed-citation>
      
Li, H., Kalnay, E., and Miyoshi, T.: Simultaneous estimation of covariance
inflation and observation errors within an ensemble Kalman filter, Q. J. Roy.
Meteor. Soc., 135, <a href="https://doi.org/10.1002/qj.371" target="_blank">https://doi.org/10.1002/qj.371</a>, 2009.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib25"><label>Majda et al.(1999)Majda, Timofeyev, and
VandenEijnden</label><mixed-citation>
      
Majda, A. J., Timofeyev, I., and VandenEijnden, E.: Models for stochastic
climate prediction, P. Natl. Acad. Sci. USA, 96 26, 14687–14691, 1999.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib26"><label>Mémin(2014)</label><mixed-citation>
      
Mémin, E.: Fluid flow dynamics under location uncertainty,
Geophys. Astro. Fluid, 108, 119–146, 2014.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib27"><label>Mikulevicius and Rozovskii(2004)</label><mixed-citation>
      
Mikulevicius, R. and Rozovskii, B.: Stochastic Navier-Stokes Equations for
Turbulent Flows, SIAM J. Math. Anal., 35, 1250–1310, 2004.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib28"><label>Miyoshi(2011)</label><mixed-citation>
      
Miyoshi, T.: The Gaussian Approach to Adaptive Covariance Inflation and Its
Implementation with the Local Ensemble Transform Kalman Filter, Mon. Wather
Rev., 139, 1519–1535, 2011.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib29"><label>Orszag(1970)</label><mixed-citation>
      
Orszag, S.: Analytical theories of turbulence, J. Fluid Mech., 41, 363–386,
1970.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib30"><label>Penland and Sardeshmukh(1995)</label><mixed-citation>
      
Penland, C. and Sardeshmukh, P.: The optimal growth of tropical sea surface
temperature anomalies, J. Climate, 8, 1999–2024, 1995.


    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib31"><label>Pope(1994)</label><mixed-citation>
      
Pope, S.: Lagrangian PDF methods for turbulent flows, Annu. Rev. Fluid
Mech., 26, 23–63, 1994.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib32"><label>Poterjoy(2016)</label><mixed-citation>
      
Poterjoy, J.: A Localized Particle Filter for High-Dimensional Nonlinear
Systems, Mon. Wather Rev., 144, 59–76, 2016.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib33"><label>Raanes et al.(2019)Raanes, Bocquet, and
Carrassi</label><mixed-citation>
      
Raanes, P. N., Bocquet, M., and Carrassi, A.: Adaptive covariance inflation in
the ensemble Kalman filter by Gaussian scale mixtures, Q. J. Roy. Meteor.
Soc., 145, 53–75, 2019.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib34"><label>Resseguier(2017)</label><mixed-citation>
      
Resseguier, V.: Mixing and fluid dynamics under location uncertainty, PhD
thesis, Université Rennes 1, 2017.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib35"><label>Resseguier et al.(2017a)Resseguier, Mémin, and
Chapron</label><mixed-citation>
      
Resseguier, V., Mémin, E., and Chapron, B.: Geophysical flows under
location uncertainty, Part I Random transport and general models, Geophys. Astro. Fluid, 111, 149–176, 2017a.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib36"><label>Resseguier et al.(2017b)Resseguier, Mémin, and
Chapron</label><mixed-citation>
      
Resseguier, V., Mémin, E., and Chapron, B.: Geophysical flows under
location uncertainty, Part II Quasi-geostrophy and efficient ensemble
spreading, Geophys. Astro. Fluid, 111, 177–208, 2017b.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib37"><label>Resseguier et al.(2020)Resseguier, Pan, and
Fox-Kemper</label><mixed-citation>
      
Resseguier, V., Pan, W., and Fox-Kemper, B.: Data-driven versus self-similar parameterizations for stochastic advection by Lie transport and location uncertainty, Nonlin. Processes Geophys., 27, 209–234, <a href="https://doi.org/10.5194/npg-27-209-2020" target="_blank">https://doi.org/10.5194/npg-27-209-2020</a>, 2020.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib38"><label>Resseguier et al.(2021)Resseguier, Li, Jouan, Dérian, Mémin,
and Chapron</label><mixed-citation>
      
Resseguier, V., Li, L., Jouan, G., Dérian, P., Mémin, E., and Chapron,
B.: New trends in ensemble forecast strategy: uncertainty quantification for
coarse-grid computational fluid dynamics, Arch. Comput. Methods E., 28,
215–261, 2021.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib39"><label>Reynolds et al.(2016)Reynolds, Leutbecher, Batté, Chen, Christensen,
Klasa, Pegion, Plant, Raynaud, Roberts, Sandu, Singleton, Sommer, Swinbank,
Tennant, and Theis</label><mixed-citation>
      
Reynolds, C., Leutbecher, M., Batté, L., Chen, S., Christensen, H., Klasa, C.,
Pegion, P., Plant, B., Raynaud, L., Roberts, N., Sandu, I., Singleton, A.,
Sommer, M., Swinbank, R., Tennant, W., and Theis, S.: Reports from working
group 3 : What are the pros/cons of existing model uncertainty schemes and
how should these be measured?, in: ECMWF/WWRP Workshop: Model Uncertainty,
ECMWF, Reading, 2016.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib40"><label>Sapsis and Majda(2013)</label><mixed-citation>
      
Sapsis, T. and Majda, A.: A statistically accurate modified quasilinear
Gaussian closure for uncertainty quantification in turbulent dynamical
systems, Physica D, 252, 34–45, 2013.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib41"><label>Schlee et al.(1966)Schlee, Standish, and
Toda</label><mixed-citation>
      
Schlee, F. H., Standish, C. J., and Toda, N. F.: Divergence in the Kalman
Filter, AIAA J., 5, 1114–1120, 1966.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib42"><label>Tandeo et al.(2020)Tandeo, Ailliot, Bocquet, Carrassi, Carrassi,
Miyoshi, Pulido, Pulido, and Zhen</label><mixed-citation>
      
Tandeo, P., Ailliot, P., Bocquet, M., Carrassi, A., Carrassi, A., Miyoshi, T.,
Pulido, M., Pulido, M., and Zhen, Y.: A Review of Innovation-Based Methods to
Jointly Estimate Model and Observation Error Covariance Matrices in Ensemble
Data Assimilation, Mon. Wather Rev., 3973–3994, <a href="https://doi.org/10.1175/MWR-D-19-0240.1" target="_blank">https://doi.org/10.1175/MWR-D-19-0240.1</a>, 2020.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib43"><label>Tibshirani and Knight(1999)</label><mixed-citation>
      
Tibshirani, R. and Knight, K.: The Covariance Inflation Criterion for Adaptive
Model Selection, J. R. Stat. Soc. B, 61, 529–546, <a href="https://doi.org/10.1111/1467-9868.00191" target="_blank">https://doi.org/10.1111/1467-9868.00191</a>, 1999.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib44"><label>Warneford and Dellar(2013)</label><mixed-citation>
      
Warneford, E. S. and Dellar, P. J.: The quasi-geostrophic theory of the thermal
shallow water equations, J. Fluid Mech., 723, 374–403, 2013.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib45"><label>Ying and Zhang(2015)</label><mixed-citation>
      
Ying, Y. and Zhang, F.: An adaptive covariance relaxation method for ensemble
data assimilation, Q. J. Roy. Meteor. Soc., 141, 2898—2906, <a href="https://doi.org/10.1002/qj.2576" target="_blank">https://doi.org/10.1002/qj.2576</a>, 2015.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib46"><label>Zhen and Harlim(2015)</label><mixed-citation>
      
Zhen, Y. and Harlim, J.: Adaptive error covariances estimation methods for
ensemble Kalman filters, J. Comput. Phys., 294, 619–638, 2015.

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