<?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 \hack{\newtheorem{lemma}{Lemma}}?><?xmltex \bartext{Research article}?>
  <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-30-85-2023</article-id><title-group><article-title>Rain process models and convergence<?xmltex \hack{\break}?> to point processes</article-title><alt-title>Convergence of rain process models to point processes</alt-title>
      </title-group><?xmltex \runningtitle{Convergence of rain process models to point processes}?><?xmltex \runningauthor{S. Hottovy and S. N. Stechmann}?>
      <contrib-group>
        <contrib contrib-type="author" corresp="yes" rid="aff1">
          <name><surname>Hottovy</surname><given-names>Scott</given-names></name>
          <email>hottovy@usna.edu</email>
        <ext-link>https://orcid.org/0000-0002-3296-5160</ext-link></contrib>
        <contrib contrib-type="author" corresp="no" rid="aff2">
          <name><surname>Stechmann</surname><given-names>Samuel N.</given-names></name>
          
        </contrib>
        <aff id="aff1"><label>1</label><institution>Department of Mathematics, United States
Naval Academy, Annapolis, Maryland, USA</institution>
        </aff>
        <aff id="aff2"><label>2</label><institution>Department of Mathematics &amp; Department of Atmospheric and Oceanic Sciences,<?xmltex \hack{\break}?> University
of Wisconsin-Madison, Madison, Wisconsin, USA</institution>
        </aff>
      </contrib-group>
      <author-notes><corresp id="corr1">Scott Hottovy (hottovy@usna.edu)</corresp></author-notes><pub-date><day>8</day><month>March</month><year>2023</year></pub-date>
      
      <volume>30</volume>
      <issue>1</issue>
      <fpage>85</fpage><lpage>100</lpage>
      <history>
        <date date-type="received"><day>1</day><month>September</month><year>2022</year></date>
           <date date-type="rev-request"><day>28</day><month>September</month><year>2022</year></date>
           <date date-type="rev-recd"><day>30</day><month>December</month><year>2022</year></date>
           <date date-type="accepted"><day>14</day><month>February</month><year>2023</year></date>
      </history>
      <permissions>
        <copyright-statement>Copyright: © 2023 Scott Hottovy</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/npg-30-85-2023.html">This article is available from https://npg.copernicus.org/articles/npg-30-85-2023.html</self-uri><self-uri xlink:href="https://npg.copernicus.org/articles/npg-30-85-2023.pdf">The full text article is available as a PDF file from https://npg.copernicus.org/articles/npg-30-85-2023.pdf</self-uri>
      <abstract><title>Abstract</title>

      <p id="d1e103">A variety of stochastic models have been used to describe time series of precipitation or rainfall.
Since many of these stochastic models are simplistic,
it is desirable to develop connections between the stochastic models
and the underlying physics of rain.
Here, convergence results are presented for such a connection
between two stochastic models:
(i) a stochastic moisture process as a physics-based
description of atmospheric moisture evolution and (ii) a point process for rainfall time series
as spike trains.
The moisture process has dynamics that switch after the moisture hits a threshold, which represents the onset of rainfall and thereby
gives rise to an associated rainfall process.
This rainfall process is characterized by its
random holding times for dry and wet periods. On average, the holding times for the wet periods are much shorter than the dry ones, and, in the limit of short wet periods, the rainfall process converges to a point process that is a spike train.
Also, in the limit, the underlying moisture process becomes a
threshold model with a teleporting boundary condition.
To establish these limits and connections,
formal asymptotic convergence is shown using the Fokker–Planck equation, which provides some intuitive understanding. Also, rigorous convergence is proved in mean square with respect to continuous functions of the moisture process and convergence in mean square with respect to generalized functions of the rain process.</p>
  </abstract>
    
<funding-group>
<award-group id="gs1">
<funding-source>Division of Mathematical Sciences</funding-source>
<award-id>1815061</award-id>
</award-group>
</funding-group>
</article-meta>
  </front>
<body>
      

      <?xmltex \hack{\allowdisplaybreaks}?>
<sec id="Ch1.S1" sec-type="intro">
  <label>1</label><title>Introduction</title>
      <p id="d1e117">Time series of precipitation or rainfall
display highly irregular behavior,
as illustrated in Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F1"/>,
and many valuable models have been based on
stochastic processes.
A variety of different stochastic models have been used,
including renewal processes, Markov chains, Poisson
processes, and point processes
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx16 bib1.bibx24 bib1.bibx35 bib1.bibx39 bib1.bibx13 bib1.bibx36 bib1.bibx6 bib1.bibx44" id="paren.1"/>.
The many applications of these models include
weather forecasting,
stochastic weather generation,
climate impact assessment,
climate model downscaling,
hydrological modeling,
ecological modeling,
and agricultural modeling.</p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F1" specific-use="star"><?xmltex \currentcnt{1}?><?xmltex \def\figurename{Figure}?><label>Figure 1</label><caption><p id="d1e127">Sample precipitation time series from observations at <bold>(a)</bold> Manus Island and <bold>(b)</bold> Nauru reproduced from Fig. 3 of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx1" id="text.2"/> with permission from the authors. The latter two panels are stochastic model simulations of <bold>(c)</bold> the rain rate process <inline-formula><mml:math id="M1" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with finite rain rate <inline-formula><mml:math id="M2" display="inline"><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <bold>(d)</bold> <inline-formula><mml:math id="M3" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as the point process.</p></caption>
        <?xmltex \igopts{width=398.338583pt}?><graphic xlink:href="https://npg.copernicus.org/articles/30/85/2023/npg-30-85-2023-f01.png"/>

      </fig>

      <p id="d1e190">Commonly, stochastic models for rainfall are
empirical – i.e., based mainly on fitting the model behavior
to match observational rainfall data – rather
than based mainly on the underlying physical laws.
Nevertheless, it is desirable to relate the stochastic models
to physical principles, to the extent possible.
Here, we investigate such a relation.</p>
      <p id="d1e194">In particular, the goal of the present paper is to prove a connection
between (i) a point-process description of rainfall time series
and (ii) a physics-based model for the stochastic evolution
of moisture.
At first glance, the point-process model appears to be
somewhat disconnected from basic physical laws based on
mass, momentum, and energy.
However, the point-process model can be seen to arise
from the underlying evolution of moisture (which is the mixing ratio
of water vapor in the air)
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx1" id="paren.3"/>.
Here, this connection is demonstrated via formal asymptotics on the Fokker–Planck equation and proved rigorously in the mean-square sense.</p>
      <?pagebreak page86?><p id="d1e200">To be more specific, a point-process model of rainfall can be viewed as a spike train, as in Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F1"/>d,
where a rainfall event is an instantaneous spike.
The point process could be defined and characterized by
the random waiting time, <inline-formula><mml:math id="M4" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, of the duration of the
“dry spell” in between rain events.
As an empirical model of rainfall, one could estimate the
probability density function (pdf) of <inline-formula><mml:math id="M5" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
based on observational data
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx34 bib1.bibx8" id="paren.4"/>.
For such an empirical approach, one could use data of
rainfall time series alone, without appealing to any
physical laws or any other type of observational data
(humidity, wind speed, etc.).
Similarly, beyond point processes, one could use a renewal
process as a model of rainfall time series, as in
Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F1"/>c, by introducing a finite (and possibly random)
time <inline-formula><mml:math id="M6" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the duration of the rain event.
Again, as in the case of a point process, one could use a
renewal process as an empirical model, based on data of
rainfall time series alone, without appealing to any
physical laws or any other type of observational data.
However, it would be desirable to show that the point-process and renewal-process models can also arise from more physically based underpinnings.</p>
      <?pagebreak page87?><p id="d1e244">Here, as mentioned above, a point-process model of precipitation will be linked to the evolution of moisture to provide a more physically based foundation of the point-process model. The moisture model used here is a continuous-time stochastic process
for <inline-formula><mml:math id="M7" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
which represents the amount of water vapor in a column
of the atmosphere, as an anomaly from a baseline level, at time <inline-formula><mml:math id="M8" display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula> <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx41 bib1.bibx42 bib1.bibx21 bib1.bibx1 bib1.bibx32" id="paren.5"/>. For example, the anomaly <inline-formula><mml:math id="M9" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> corresponds to 62 mm of moisture in the column, and <inline-formula><mml:math id="M10" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> mm will be an upper threshold of 65 mm of moisture in the column.</p>
      <p id="d1e311">The <inline-formula><mml:math id="M11" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> process is governed
by the stochastic differential equations (SDEs)
          <disp-formula id="Ch1.E1" content-type="numbered"><label>1</label><mml:math id="M12" display="block"><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{8.5}{8.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mfenced open="{" close=""><mml:mtable class="array" columnalign="left left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>for </mml:mtext><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>for </mml:mtext><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        where <inline-formula><mml:math id="M13" display="inline"><mml:mi>m</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M14" display="inline"><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula> are the moistening and rain rates, respectively, and <inline-formula><mml:math id="M15" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M16" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the constant diffusion coefficients which capture the fluctuations of moisture during the respective
states and <inline-formula><mml:math id="M17" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a standard Wiener process. The quantity <inline-formula><mml:math id="M18" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is an indicator function for rain, and
the dynamics of <inline-formula><mml:math id="M19" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> switch from 0 to <inline-formula><mml:math id="M20" display="inline"><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula> when <inline-formula><mml:math id="M21" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> reaches
a fixed threshold <inline-formula><mml:math id="M22" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. For instance, supposing that
<inline-formula><mml:math id="M23" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, then <inline-formula><mml:math id="M24" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> until the time
<inline-formula><mml:math id="M25" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>inf⁡</mml:mo><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, at which time the value of <inline-formula><mml:math id="M26" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula>
switches to <inline-formula><mml:math id="M27" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Then <inline-formula><mml:math id="M28" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> switches
back to zero at a later time when the moisture has been depleted to the lower threshold (<inline-formula><mml:math id="M29" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>).
Figure <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F2"/>a, b show a realization of the processes <inline-formula><mml:math id="M30" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M31" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
The process <inline-formula><mml:math id="M32" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be viewed as a renewal process,
with random durations <inline-formula><mml:math id="M33" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M34" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of dry spells and rain events, respectively,
although <inline-formula><mml:math id="M35" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is not just a standalone renewal process, since it arises from the underlying dynamics of moisture <inline-formula><mml:math id="M36" display="inline"><mml:mi>q</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The moisture in the column can potentially reach negative values, i.e., <inline-formula><mml:math id="M37" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">62</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, on very rare occasions. This effect is due to the idealized nature of the model.</p>
      <p id="d1e854">The threshold behavior of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E1"/>)
is a fundamental feature of the moisture–rainfall relationship that is seen in nature
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx33 bib1.bibx9" id="paren.6"/>,
and it is a basic aspect of many more complex moisture models
and convective parameterizations as well
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx30 bib1.bibx14 bib1.bibx26 bib1.bibx27 bib1.bibx20 bib1.bibx40 bib1.bibx2 bib1.bibx31 bib1.bibx22" id="paren.7"/>.
Sometimes the threshold is also called a trigger
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx17" id="paren.8"/>.
The threshold can be viewed as the threshold for the release of moist convective instability, and the moisture <inline-formula><mml:math id="M38" display="inline"><mml:mi>q</mml:mi></mml:math></inline-formula> is used
as the physical quantity that governs the onset of moist convection. In this way, Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E1"/>) is a physically based model of atmospheric moisture, and, from it, one can obtain a rainfall time series as a secondary or auxiliary quantity.</p>
      <p id="d1e878">The main purpose of the paper is to define and show convergence of the threshold model in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E1"/>) as <inline-formula><mml:math id="M39" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to a point-process model of rainfall. For example, on the level of renewal processes, <inline-formula><mml:math id="M40" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msup><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and thus <inline-formula><mml:math id="M41" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> converges to a process that is zero everywhere and that has spikes at infinity after random durations of length <inline-formula><mml:math id="M42" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. That is, <inline-formula><mml:math id="M43" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> converges to a Dirac delta process. However, <inline-formula><mml:math id="M44" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is right-continuous and has left-hand limits, whereas the spike train is not. Thus, the mode of convergence is not clear. For <inline-formula><mml:math id="M45" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the limit is also unclear but will be redefined in a way to show convergence with respect to the topology on continuous functions with the uniform metric. In this study, the limiting processes are defined (in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2"/>), and convergence is shown both heuristically (for the Fokker–Planck equation) and rigorously.</p>
      <p id="d1e981">Some of the novel aspects of this work are as follows. The limit jump process <inline-formula><mml:math id="M46" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> has an associated Fokker–Planck equation that is derived using a matched asymptotic method. The resulting Fokker–Planck equation has a peculiar boundary flux condition which defines a “teleporting” boundary condition of <inline-formula><mml:math id="M47" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The processes are decoupled into evaporating and
precipitating processes. Only after this decoupling can convergence of the evaporation
processes be shown rigorously with respect to the uniform metric
on the space of continuous functions. Also, the rain process <inline-formula><mml:math id="M48" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is shown to converge
rigorously with respect to the generalized function space. This proof shows convergence of a renewal process to a delta process. Furthermore, the proof shows what kinds of bounds are needed for
the rain event times <inline-formula><mml:math id="M49" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in order
for integrated convergence to hold.</p>
      <p id="d1e1037">The convergence results shown here have the potential to
impact various other fields. Many fields of study use
similar renewal processes to model different types of phenomena <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx7" id="paren.9"/>. The connections
to rain models were made above. In addition, there has been
work in queuing theory to approximate point processes
with renewal processes (e.g., <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx43 bib1.bibx5" id="altparen.10"/>) and using threshold triggers in financial models <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx29" id="paren.11"/>. Thresholds arise in many applications of piecewise dynamical systems where the threshold marks a change in the dynamics, as in Fillipov dynamics and hybrid switching diffusions <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx12 bib1.bibx38" id="paren.12"/>. The limiting process is similar to a stochastic resetting process studied in <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx10" id="text.13"/> and <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx11" id="text.14"/>. Here the process stochastically resets to <inline-formula><mml:math id="M50" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> after a random hitting time <inline-formula><mml:math id="M51" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> which depends on the process.
Another interesting connection is with neuron stochastic integrate and fire models (see <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx37" id="altparen.15"/>, for a review). The moisture process with a finite rain rate is similar to a Wiener process model of a single neuron with refractoriness. A similar model was studied in <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx3" id="text.16"/>, where the refractory time was constant. Here, the refractory time is random and coincides with the rain duration time <inline-formula><mml:math id="M52" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Thus, the work here is applicable to understanding the differences in using a model without refractoriness versus a model with a short, possibly random, refractory time.</p>
      <?pagebreak page88?><p id="d1e1099">The structure of the paper is as follows. The processes for moisture and rain are defined in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2"/>. The modes of convergence are discussed in
Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S3"/>. The heuristic convergence with the Fokker–Planck equation is shown in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S3.SS1"/>. Rigorous convergence of the moistening process
<inline-formula><mml:math id="M53" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math id="M54" display="inline"><mml:mi>E</mml:mi></mml:math></inline-formula> is shown with respect to <inline-formula><mml:math id="M55" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S3.SS2"/>, and the rain process <inline-formula><mml:math id="M56" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is shown to converge to the sum of delta distributions <inline-formula><mml:math id="M57" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> with respect to generalized functions in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S3.SS3"/>. Some important statistics  as well as an analysis of the differences when using  the two processes are shown in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S4"/>. The results are summarized in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S5"/>. Technical details of the proofs and derivations are given in the Appendix.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S2">
  <label>2</label><title>Model description</title>
      <p id="d1e1173">In this section the moisture and precipitation processes are defined. First, the underlying moisture process of the renewal rain process is defined. The processes are defined with
a small parameter <inline-formula><mml:math id="M58" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:math></inline-formula> with the limit as <inline-formula><mml:math id="M59" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in mind.</p>
      <p id="d1e1195">The moisture
process <inline-formula><mml:math id="M60" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is defined as the solution to the SDE,
          <disp-formula id="Ch1.E2" content-type="numbered"><label>2</label><mml:math id="M61" display="block"><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{8.7}{8.7}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mfenced close="" open="{"><mml:mtable class="array" columnalign="left left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>for </mml:mtext><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mstyle><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>for </mml:mtext><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        where <inline-formula><mml:math id="M62" display="inline"><mml:mi>m</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M63" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the moistening and rain rates, and
<inline-formula><mml:math id="M64" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>≤</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the fluctuations of moisture during the respective
states. Here the small parameter <inline-formula><mml:math id="M65" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is essentially the ratio of moistening and rain rates (times a constant <inline-formula><mml:math id="M66" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> factor). In other words, <inline-formula><mml:math id="M67" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the value which makes <inline-formula><mml:math id="M68" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> order 1. In the tropics, the rain rate is often seen to have values in excess of 15 mm h<inline-formula><mml:math id="M69" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> (e.g., see Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F1"/>a and b). See Fig. 7a in <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx19" id="text.17"/> for an estimate of a typical moistening rate in the tropics. There the moistening rate is roughly 0.4 mm h<inline-formula><mml:math id="M70" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. The rain process <inline-formula><mml:math id="M71" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is defined as follows: since <inline-formula><mml:math id="M72" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, let <inline-formula><mml:math id="M73" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mo>inf⁡</mml:mo><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>|</mml:mo><mml:msup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Then <inline-formula><mml:math id="M74" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math id="M75" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Next, let <inline-formula><mml:math id="M76" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mo>inf⁡</mml:mo><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>|</mml:mo><mml:msup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M77" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math id="M78" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. This
process repeats up to an arbitrary final time <inline-formula><mml:math id="M79" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Define the time intervals <inline-formula><mml:math id="M80" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M81" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as<?xmltex \setcounter{equation}{2}?>

              <disp-formula id="Ch1.E3" specific-use="align" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M82" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E3.4"><mml:mtd><mml:mtext>3a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</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:mlabeledtr id="Ch1.E3.5"><mml:mtd><mml:mtext>3b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E3.6"><mml:mtd><mml:mtext>3c</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E3.7"><mml:mtd><mml:mtext>3d</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          and so on. These are the duration times for dry and rain events, respectively.</p>
      <p id="d1e1974">The associated processes, as <inline-formula><mml:math id="M83" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, are defined as <inline-formula><mml:math id="M84" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M85" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for
the moisture and rain processes.
(It would perhaps be appropriate to denote the limiting
processes as <inline-formula><mml:math id="M86" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M87" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, to indicate that they
arise from <inline-formula><mml:math id="M88" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M89" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the
limit <inline-formula><mml:math id="M90" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. However, we will drop the superscript 0
from <inline-formula><mml:math id="M91" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M92" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to ease notation.)
The moisture process is the solution to the SDE
          <disp-formula id="Ch1.E8" content-type="numbered"><label>4</label><mml:math id="M93" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        with the unusual boundary condition as follows: let the usual stopping time be <inline-formula><mml:math id="M94" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>inf⁡</mml:mo><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Then, at time <inline-formula><mml:math id="M95" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the process <inline-formula><mml:math id="M96" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> jumps or “teleports” to <inline-formula><mml:math id="M97" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. However, the function is defined as both <inline-formula><mml:math id="M98" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M99" display="inline"><mml:mi>b</mml:mi></mml:math></inline-formula> at <inline-formula><mml:math id="M100" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. For convention, the process is defined as cadlag (continuous from the right with left-hand limits), i.e.,
          <disp-formula id="Ch1.E9" content-type="numbered"><label>5</label><mml:math id="M101" display="block"><mml:mrow><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">lim⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:munder><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">lim⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:munder><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        Then the process starts over using the dynamics of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E8"/>) until
<inline-formula><mml:math id="M102" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>inf⁡</mml:mo><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and the process repeats. The time intervals
          <disp-formula id="Ch1.E10" content-type="numbered"><label>6</label><mml:math id="M103" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        are the dry event durations. The rain event duration, on the other hand, is not defined for this limiting process,
since rain events are instantaneous in the intense-rain-rate limit
of <inline-formula><mml:math id="M104" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d1e2492">Example time series of the processes are shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F2"/>. The processes with finite rain rate <inline-formula><mml:math id="M105" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math id="M106" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are shown in panels (a) and (b). Panel (a) is the
moisture process <inline-formula><mml:math id="M107" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> defined in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E2"/>). The rain rate process is shown in panel (b) and takes the value <inline-formula><mml:math id="M108" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> when <inline-formula><mml:math id="M109" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> reaches level <inline-formula><mml:math id="M110" display="inline"><mml:mi>b</mml:mi></mml:math></inline-formula> for the first time (panel a in black) and resets to
zero when <inline-formula><mml:math id="M111" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> reaches zero (panel a in gray). This process repeats. The limiting processes are shown in panels (c) and (d). Panel (c) shows the limiting moisture process <inline-formula><mml:math id="M112" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> defined in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E8"/>), and panel (d) shows the rain process defined in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E11"/>). The moisture process is a Brownian motion with positive drift until
reaching level <inline-formula><mml:math id="M113" display="inline"><mml:mi>b</mml:mi></mml:math></inline-formula>. When <inline-formula><mml:math id="M114" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the process <inline-formula><mml:math id="M115" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> takes an infinite value, and the moisture process is reset to zero.</p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F2" specific-use="star"><?xmltex \currentcnt{2}?><?xmltex \def\figurename{Figure}?><label>Figure 2</label><caption><p id="d1e2655">Realizations are plotted of the processes <bold>(a)</bold> <inline-formula><mml:math id="M116" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <bold>(b)</bold> <inline-formula><mml:math id="M117" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for rain rate <inline-formula><mml:math id="M118" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> defined in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E2"/>) with <inline-formula><mml:math id="M119" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and, on the other hand, the limiting (<inline-formula><mml:math id="M120" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) processes <bold>(c)</bold> <inline-formula><mml:math id="M121" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <bold>(d)</bold> <inline-formula><mml:math id="M122" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> defined in Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E8"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E11"/>), respectively. Here <inline-formula><mml:math id="M123" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.4</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> mm h<inline-formula><mml:math id="M124" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math id="M125" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.01</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Thus, the effective rain rate is 40 mm h<inline-formula><mml:math id="M126" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>.</p></caption>
        <?xmltex \igopts{width=341.433071pt}?><graphic xlink:href="https://npg.copernicus.org/articles/30/85/2023/npg-30-85-2023-f02.png"/>

      </fig>

      <p id="d1e2835">From the definition of <inline-formula><mml:math id="M127" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> above, the rain point process <inline-formula><mml:math id="M128" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
is defined as
          <disp-formula id="Ch1.E11" content-type="numbered"><label>7</label><mml:math id="M129" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:munderover><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        where <inline-formula><mml:math id="M130" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the random variable of the number of times the process <inline-formula><mml:math id="M131" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> reaches <inline-formula><mml:math id="M132" display="inline"><mml:mi>b</mml:mi></mml:math></inline-formula> in time <inline-formula><mml:math id="M133" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The quantity <inline-formula><mml:math id="M134" display="inline"><mml:mi>b</mml:mi></mml:math></inline-formula> arises because the moisture process <inline-formula><mml:math id="M135" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> loses moisture at a rate of <inline-formula><mml:math id="M136" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> per time, on average. The moisture process <inline-formula><mml:math id="M137" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> loses all the moisture built up (which is an amount <inline-formula><mml:math id="M138" display="inline"><mml:mi>b</mml:mi></mml:math></inline-formula>) instantaneously.</p>
      <?pagebreak page89?><p id="d1e3015">Note that <inline-formula><mml:math id="M139" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> has continuous paths, while <inline-formula><mml:math id="M140" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> has jump discontinuities. Thus, any mode of convergence between <inline-formula><mml:math id="M141" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M142" display="inline"><mml:mi>q</mml:mi></mml:math></inline-formula> with an associated metric (e.g., uniform or Skorohod) will fail <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx25" id="paren.18"/>. Nevertheless, there is another way to define both <inline-formula><mml:math id="M143" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M144" display="inline"><mml:mi>q</mml:mi></mml:math></inline-formula> in which convergence
with respect to <inline-formula><mml:math id="M145" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with the uniform metric on the space of continuous functions (<inline-formula><mml:math id="M146" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) can be shown. To do so, <inline-formula><mml:math id="M147" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is decomposed into an evaporating process, <inline-formula><mml:math id="M148" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and precipitating
process, <inline-formula><mml:math id="M149" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. These processes are defined as
          <disp-formula id="Ch1.E12" content-type="numbered"><label>8</label><mml:math id="M150" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close="" open="{"><mml:mtable class="array" columnalign="left left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>for </mml:mtext><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>for </mml:mtext><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext> and </mml:mtext><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close="" open="{"><mml:mtable class="array" columnalign="left left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>for </mml:mtext><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mstyle><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>for </mml:mtext><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
        Thus, the moisture process <inline-formula><mml:math id="M151" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is written as
          <disp-formula id="Ch1.Ex1"><mml:math id="M152" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        In the limit, the jumps will be captured in the <inline-formula><mml:math id="M153" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> process. In the following section it will be shown (see Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S3.SS2"/>) that <inline-formula><mml:math id="M154" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where
<inline-formula><mml:math id="M155" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is defined as the solution to the SDE
          <disp-formula id="Ch1.E13" content-type="numbered"><label>9</label><mml:math id="M156" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        Furthermore, the spike times of the <inline-formula><mml:math id="M157" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> process, which was defined above in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E11"/>),
could now also be defined in terms of the <inline-formula><mml:math id="M158" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> process as <inline-formula><mml:math id="M159" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>inf⁡</mml:mo><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ib</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi mathvariant="double-struck">N</mml:mi><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, i.e., the first passage time of Brownian motion with drift to ib.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S3">
  <label>3</label><title>Convergence to a point process</title>
      <p id="d1e3596">In this section convergence is shown both heuristically (e.g., Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S3.SS1"/>) and rigorously (e.g., Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S3.SS2"/> and <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S3.SS3"/>).</p>
      <p id="d1e3605">Note that the simplest ideas of convergence break down when considering pathwise convergence of <inline-formula><mml:math id="M160" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math id="M161" display="inline"><mml:mi>q</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M162" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math id="M163" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. This is because <inline-formula><mml:math id="M164" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a continuous process for all <inline-formula><mml:math id="M165" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, whereas <inline-formula><mml:math id="M166" display="inline"><mml:mi>q</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a process with jumps, <inline-formula><mml:math id="M167" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is left-continuous with right-hand limits, and <inline-formula><mml:math id="M168" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is no longer left-continuous. Thus, there is no topology with the associated metric <inline-formula><mml:math id="M169" display="inline"><mml:mi>d</mml:mi></mml:math></inline-formula> such that <inline-formula><mml:math id="M170" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with respect to <inline-formula><mml:math id="M171" display="inline"><mml:mi>d</mml:mi></mml:math></inline-formula> <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx25" id="paren.19"/>. However, one could try to show that <inline-formula><mml:math id="M172" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> converges in a notion weaker than the Skorohod topology; see <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx28" id="text.20"/> for these conditions. Such convergence would happen in a topology which does not have an associated metric (see <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx23" id="altparen.21"/>). This approach is not pursued here as it is technical and does not give any insight into the model or approximation.</p>
      <p id="d1e3743">Instead, we pursue convergence in the following senses.
The next
three subsections prove convergence of the various processes introduced in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2"/>.
In Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S3.SS1"/> the
Fokker–Planck equation for <inline-formula><mml:math id="M173" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is shown to converge (formally) to a Fokker–Planck equation for <inline-formula><mml:math id="M174" display="inline"><mml:mi>q</mml:mi></mml:math></inline-formula>. This derivation gives rise to an interesting partial differential equation (PDE) with unusual “teleporting” boundary conditions.
In Sect. <?pagebreak page90?><xref ref-type="sec" rid="Ch1.S3.SS2"/> convergence in paths is shown for <inline-formula><mml:math id="M175" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math id="M176" display="inline"><mml:mi>E</mml:mi></mml:math></inline-formula> with respect
to the uniform metric for continuous functions on <inline-formula><mml:math id="M177" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S3.SS3"/> convergence is shown for <inline-formula><mml:math id="M178" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to
<inline-formula><mml:math id="M179" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> with respect to generalized functions. This norm is necessary because <inline-formula><mml:math id="M180" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a sum of Dirac delta functions. In addition, this convergence
is natural to consider for applications where the errors are analyzed between using <inline-formula><mml:math id="M181" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and a point process (<inline-formula><mml:math id="M182" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula>) in, for example, a climate model or as a model for observational time series.</p>
<sec id="Ch1.S3.SS1">
  <label>3.1</label><title>Fokker–Planck equation</title>
      <p id="d1e3858">In this section, we derive the Fokker–Planck equation of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E8"/>) by taking the formal asymptotic limit, as <inline-formula><mml:math id="M183" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, of the Fokker–Planck equation of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E2"/>). This mode of convergence provides some intuition for the
behavior in the <inline-formula><mml:math id="M184" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> limit.</p>
      <p id="d1e3889">The Fokker–Planck equation for Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E2"/>) (see <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx21" id="altparen.22"/>) is composed of two densities. These densities are denoted <inline-formula><mml:math id="M185" 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> and <inline-formula><mml:math id="M186" 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> for the dry state (<inline-formula><mml:math id="M187" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) and the rain state (<inline-formula><mml:math id="M188" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), respectively. These densities evolve according to the following Fokker–Planck equations:

                <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M189" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E14"><mml:mtd><mml:mtext>10</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><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">δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</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:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>t</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:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E15"><mml:mtd><mml:mtext>11</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>t</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:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            where the fluxes <inline-formula><mml:math id="M190" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are defined as<?xmltex \setcounter{equation}{11}?>

                <disp-formula id="Ch1.E16" specific-use="align" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M191" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E16.17"><mml:mtd><mml:mtext>12a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E16.18"><mml:mtd><mml:mtext>12b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            and with the following conditions,

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M192" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E19"><mml:mtd><mml:mtext>13</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><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.E20"><mml:mtd><mml:mtext>14</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>t</mml:mi><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>

            which are absorbing boundary conditions and the normalization condition,
respectively. This implies that once the particle reaches <inline-formula><mml:math id="M193" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (or <inline-formula><mml:math id="M194" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), the particle is removed and added to the state <inline-formula><mml:math id="M195" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (or <inline-formula><mml:math id="M196" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx15" id="paren.23"/>. Thus, the particle reaches <inline-formula><mml:math id="M197" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> but cannot be found there: <inline-formula><mml:math id="M198" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Note that the flux terms in Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E16.17"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E16.18"/>) contain <inline-formula><mml:math id="M199" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> terms and their derivative. If the derivatives are zero, then the absorbing boundary conditions would imply that the Dirac delta coupling terms in Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E14"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E15"/>) are zero. However, this is not the case. The Fokker–Planck equation must be solved on three separate intervals of <inline-formula><mml:math id="M200" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M201" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M202" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. This leads to points of non-differentiability for <inline-formula><mml:math id="M203" 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> and <inline-formula><mml:math id="M204" 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> at <inline-formula><mml:math id="M205" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M206" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. For an example, see the stationary solutions in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S4"/> and Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F3"/>.</p>
      <p id="d1e4713">To obtain Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E14"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E15"/>), a further approximation is used. In <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx21" id="text.24"/>, <inline-formula><mml:math id="M207" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is modeled similarly to Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E2"/>), except that the <inline-formula><mml:math id="M208" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> process switches states at a random time with rate <inline-formula><mml:math id="M209" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi></mml:math></inline-formula> after <inline-formula><mml:math id="M210" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> reaches the threshold. Call this process <inline-formula><mml:math id="M211" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The Fokker–Planck-type equation for <inline-formula><mml:math id="M212" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> uses terms from the master equation (see <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx15" id="altparen.25"/>, Sect. 3.5). The Fokker–Planck equation in Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E14"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E15"/>) is derived by taking an asymptotic of the equations for <inline-formula><mml:math id="M213" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and taking a limit as <inline-formula><mml:math id="M214" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, that is, as the random switching time becomes small.</p>
      <p id="d1e4833">One interesting property of these Fokker–Planck equations
is the appearance of Dirac delta source terms, which represent transitions between the dry state and the rain state. For instance, in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E14"/>), a Dirac delta source term
arises at <inline-formula><mml:math id="M215" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and it represents the transition from the
rain state (<inline-formula><mml:math id="M216" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) to the dry state (<inline-formula><mml:math id="M217" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>)
when the (raining) moisture process reaches the lower threshold at <inline-formula><mml:math id="M218" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
The magnitude of this Dirac delta source term is
<inline-formula><mml:math id="M219" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which is the outward flux of <inline-formula><mml:math id="M220" 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>
at the lower threshold,
<inline-formula><mml:math id="M221" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, as defined from Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E15"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E16.18"/>).</p>
      <?pagebreak page91?><p id="d1e4944">The proposed limit as <inline-formula><mml:math id="M222" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the Fokker–Planck equation is

                <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M223" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E21"><mml:mtd><mml:mtext>15</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:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><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>&lt;</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>t</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:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E22"><mml:mtd><mml:mtext>16</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            with the following conditions:

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M224" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E23"><mml:mtd><mml:mtext>17</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E24"><mml:mtd><mml:mtext>18</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            This Fokker–Planck equation is much different than the coupled system of Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E14"/>)–(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E15"/>). For example, the coupled system is defined for all <inline-formula><mml:math id="M225" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, whereas Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E21"/>) is only defined for <inline-formula><mml:math id="M226" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. This is because the boundary <inline-formula><mml:math id="M227" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> becomes impassable due to the teleporting boundary, or, in physical terms, the rain rate is so strong that the moisture <inline-formula><mml:math id="M228" display="inline"><mml:mi>q</mml:mi></mml:math></inline-formula> moves above the threshold <inline-formula><mml:math id="M229" display="inline"><mml:mi>b</mml:mi></mml:math></inline-formula> by only a small <inline-formula><mml:math id="M230" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> amount that vanishes as <inline-formula><mml:math id="M231" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The restriction of <inline-formula><mml:math id="M232" display="inline"><mml:mi>q</mml:mi></mml:math></inline-formula> can be seen in the stationary densities in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S4"/>. There, the stationary density for state <inline-formula><mml:math id="M233" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> decays to zero quickly. Another interesting property of this Fokker–Planck equation is that the absorbing boundary condition at <inline-formula><mml:math id="M234" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E23"/>)
is actually coupled to a Dirac delta source at <inline-formula><mml:math id="M235" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the Fokker–Planck Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E21"/>). In this coupling, the flux <inline-formula><mml:math id="M236" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of absorption at the boundary
is also equal to the magnitude of the source <inline-formula><mml:math id="M237" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
which inserts mass at <inline-formula><mml:math id="M238" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
Therefore, when the process is absorbed at <inline-formula><mml:math id="M239" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, it is
reinserted at <inline-formula><mml:math id="M240" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and in this way it represents a teleporting boundary condition.</p>
      <p id="d1e5428">The convergence of the time-dependent Fokker–Planck Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E14"/>)–(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E15"/>) is shown through an asymptotic expansion in the Appendix. The analysis is shown for the full time-dependent Fokker–Planck equation to show that the transient solutions to these equations also converge as <inline-formula><mml:math id="M241" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> The method used is a matched asymptotic expansion argument <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx4" id="paren.26"/>. This argument shows how the interesting delta function condition of the probability flux arises in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E21"/>).</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S3.SS2">
  <label>3.2</label><title>Pathwise convergence</title>
      <p id="d1e5463">Rigorous mathematical convergence is now considered.
For this section and the next, a useful lemma is first stated and proved. In essence, the lemma states that,
for a finite time interval <inline-formula><mml:math id="M242" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
it is (exponentially) unlikely that a large number of rain events
will occur.</p><statement id="Ch1.Lem1" content-type="lemma"><label>1</label>

      <p id="d1e5484">Let <inline-formula><mml:math id="M243" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be the number of rain events for the <inline-formula><mml:math id="M244" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> process defined in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E8"/>). Then, for <inline-formula><mml:math id="M245" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mo>min⁡</mml:mo><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
              <disp-formula id="Ch1.Ex2"><mml:math id="M246" display="block"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mfenced open="{" close="}"><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
        </statement>
      <p id="d1e5659">The proof of the lemma is contained in the Appendix. This lemma shows that the probability of <inline-formula><mml:math id="M247" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> events decays exponentially in <inline-formula><mml:math id="M248" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula>. With this lemma, pathwise convergence is now considered.
Recall from the discussion at the beginning of the section that
we consider convergence not for <inline-formula><mml:math id="M249" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, but for the evaporating process <inline-formula><mml:math id="M250" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
Convergence from <inline-formula><mml:math id="M251" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math id="M252" display="inline"><mml:mi>E</mml:mi></mml:math></inline-formula> is shown in
<inline-formula><mml:math id="M253" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with respect to the uniform metric on the space
of continuous functions <inline-formula><mml:math id="M254" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p><statement id="Ch1.Th1" content-type="theorem"><label>1</label>

      <p id="d1e5754"><italic>Let <inline-formula><mml:math id="M255" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be defined as</italic>

              <disp-formula id="Ch1.Ex3"><mml:math id="M256" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

              <italic>where <inline-formula><mml:math id="M257" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are solutions to the SDEs in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E12"/>).  Furthermore, let <inline-formula><mml:math id="M258" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be defined as the solution to Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E13"/>). Then,</italic>

              <disp-formula id="Ch1.E25" content-type="numbered"><label>19</label><mml:math id="M259" display="block"><mml:mrow><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">lim⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">sup⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
        </statement>
      <p id="d1e5908">This theorem shows that the moistening process <inline-formula><mml:math id="M260" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> converges to the process <inline-formula><mml:math id="M261" display="inline"><mml:mi>E</mml:mi></mml:math></inline-formula> as <inline-formula><mml:math id="M262" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> Furthermore, the moistening process <inline-formula><mml:math id="M263" display="inline"><mml:mi>E</mml:mi></mml:math></inline-formula> contains all the dynamics of the joint <inline-formula><mml:math id="M264" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> process. The rigorous proof is shown in the Appendix. The proof relies on the processes <inline-formula><mml:math id="M265" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M266" display="inline"><mml:mi>E</mml:mi></mml:math></inline-formula> being driven by the same white noise process. Thus, they converge to each other by showing that the first two moments of <inline-formula><mml:math id="M267" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> converge to zero (see Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E69"/>).</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S3.SS3">
  <label>3.3</label><title>Distributional convergence</title>
      <p id="d1e6011">In this subsection <inline-formula><mml:math id="M268" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> convergence of <inline-formula><mml:math id="M269" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math id="M270" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is shown with respect to a generalized
function norm. This norm is considered here
due to the nature of the delta function. It is also
a natural norm to consider as it is an integrated
error. That is, this norm considers the accumulation of
errors after running the model for time <inline-formula><mml:math id="M271" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p><statement id="Ch1.Th2" content-type="theorem"><label>2</label>

      <p id="d1e6063"><italic>Let <inline-formula><mml:math id="M272" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">:</mml:mo><mml:mo mathvariant="normal">[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">)</mml:mo><mml:mo mathvariant="normal">→</mml:mo><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be a test function in <inline-formula><mml:math id="M273" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo mathvariant="normal">(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Let <inline-formula><mml:math id="M274" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo mathvariant="normal">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M275" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be defined as in Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E2"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E11"/>), respectively. Then,</italic>

              <disp-formula id="Ch1.E26" content-type="numbered"><label>20</label><mml:math id="M276" display="block"><mml:mrow><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">lim⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>〈</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</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>〈</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>〉</mml:mo><mml:msup><mml:mo>|</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

              <italic>where</italic>

              <disp-formula id="Ch1.E27" content-type="numbered"><label>21</label><mml:math id="M277" display="block"><mml:mrow><mml:mo>〈</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><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>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
        </statement>
      <p id="d1e6302">The technical details of the proof are given in the Appendix. The procedure is similar to the proof of Theorem 1. However, here the case for different numbers of rain events in the time interval <inline-formula><mml:math id="M278" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the processes <inline-formula><mml:math id="M279" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M280" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> must be considered in a different way (see Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E87"/>). This leads to needing estimates of the first four moments of the event duration <inline-formula><mml:math id="M281" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="Ch1.S4">
  <label>4</label><title>Statistics and applications</title>
      <p id="d1e6366">In this section, important statistics and applications of the processes <inline-formula><mml:math id="M282" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M283" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are presented. These statistics show the differences between the processes and give motivation for the approximations. These include the stationary Fokker–Planck solution, the rain and dry event distributions, the rain fraction, and an application of Theorem 2.</p>
<sec id="Ch1.S4.SS1">
  <label>4.1</label><title>Stationary Fokker–Planck equation</title>
      <?pagebreak page92?><p id="d1e6414">Here the analytical solutions to the stationary Fokker–Planck equation are given. The stationary Fokker–Planck equation for the process <inline-formula><mml:math id="M284" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M285" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E28"><mml:mtd><mml:mtext>22</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E29"><mml:mtd><mml:mtext>23</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            with the conditions

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M286" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E30"><mml:mtd><mml:mtext>24</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><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.E31"><mml:mtd><mml:mtext>25</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mi>t</mml:mi><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>

            The analytical solutions are found in <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx20" id="text.27"/> and are reproduced here. They are

                <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M287" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E32"><mml:mtd><mml:mtext>26</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:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>b</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close="}" open="{"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>for </mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E33"><mml:mtd><mml:mtext>27</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="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>b</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close="}" open="{"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mtext>for </mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>b</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>

            and similarly for <inline-formula><mml:math id="M288" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> The densities are plotted in Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F3"/>. The black curve is the <inline-formula><mml:math id="M289" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> density for one value of <inline-formula><mml:math id="M290" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> For the other masses <inline-formula><mml:math id="M291" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> changes very little (order <inline-formula><mml:math id="M292" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:math></inline-formula>) and is not shown. The density <inline-formula><mml:math id="M293" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is plotted in gray for various values of <inline-formula><mml:math id="M294" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The density is scaled by <inline-formula><mml:math id="M295" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The dashed gray line is the limiting shape. Thus, as <inline-formula><mml:math id="M296" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the density is a uniform distribution on the interval <inline-formula><mml:math id="M297" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> that tends to zero.  Note that the absorbing boundary conditions from Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E30"/>) are satisfied (<inline-formula><mml:math id="M298" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M299" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). However, their derivatives (the fluxes) are nonzero. Thus, the Dirac delta terms in the Fokker–Planck equation are nonzero.</p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F3"><?xmltex \currentcnt{3}?><?xmltex \def\figurename{Figure}?><label>Figure 3</label><caption><p id="d1e7169">Stationary probability density functions (pdfs) for the <inline-formula><mml:math id="M300" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> density (black line) and <inline-formula><mml:math id="M301" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> density for values of <inline-formula><mml:math id="M302" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.5</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.25</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>and <inline-formula><mml:math id="M303" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">0.1</mml:mn></mml:math></inline-formula> (gray lines). The dashed line is the limit shape of the <inline-formula><mml:math id="M304" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> density scaled by <inline-formula><mml:math id="M305" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=227.622047pt}?><graphic xlink:href="https://npg.copernicus.org/articles/30/85/2023/npg-30-85-2023-f03.png"/>

        </fig>

</sec>
<sec id="Ch1.S4.SS2">
  <label>4.2</label><title>Event duration</title>
      <p id="d1e7271">Another statistic studied here is the event duration probability density. This density gives information on the probability of a dry/rain event lasting time <inline-formula><mml:math id="M306" display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula> minutes. For the process <inline-formula><mml:math id="M307" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, both the dry and rain states are
Brownian motions with drift (<inline-formula><mml:math id="M308" display="inline"><mml:mi>m</mml:mi></mml:math></inline-formula> for dry and <inline-formula><mml:math id="M309" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for rain). Thus, the event duration densities are the first passage to <inline-formula><mml:math id="M310" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> densities for Brownian motion with drift <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx15" id="paren.28"><named-content content-type="post">Sect. 5.5.1</named-content></xref>. These densities were found in <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx42" id="text.29"/> and are reproduced here. The event duration density for a rain event is
            <disp-formula id="Ch1.E34" content-type="numbered"><label>28</label><mml:math id="M311" 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="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>b</mml:mi><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mfenced open="{" close="}"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mfenced close="}" open="{"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mfenced close="}" open="{"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
          and similarly for the dry event duration <inline-formula><mml:math id="M312" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
The density for rain events changes with <inline-formula><mml:math id="M313" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, while the dry event density does not. The rain event duration has cutoffs for short and long times. They are
            <disp-formula id="Ch1.Ex4"><mml:math id="M314" display="block"><mml:mrow><mml:mtext>short-time cutoff:</mml:mtext><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>;</mml:mo><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mtext>long-time cutoff:</mml:mtext><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          The short-time cutoff is independent of <inline-formula><mml:math id="M315" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, while the long-time cutoff tends to zero in <inline-formula><mml:math id="M316" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> This implies that for smaller <inline-formula><mml:math id="M317" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the extreme events are being cut off quickly. Hence, in the <inline-formula><mml:math id="M318" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> limit, extreme rainfall
events do not occur. In order to preserve extreme rainfall
events in a point-process model of rainfall, the rain rate
amplitude would need to be modeled as a stochastic process,
since rain event durations are assumed to be short (see Sect. 4.5).</p>
      <p id="d1e7588">These densities are plotted in Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F4"/> on a log–log scale. The dry density <inline-formula><mml:math id="M319" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the black curve. The rain event duration density <inline-formula><mml:math id="M320" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is plotted in gray for various values of <inline-formula><mml:math id="M321" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The dashed gray line is a density for small <inline-formula><mml:math id="M322" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.01</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F4"><?xmltex \currentcnt{4}?><?xmltex \def\figurename{Figure}?><label>Figure 4</label><caption><p id="d1e7642">Event duration pdfs for dry events (<inline-formula><mml:math id="M323" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> black line) and rain events (<inline-formula><mml:math id="M324" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> gray lines) for <inline-formula><mml:math id="M325" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.5</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.25</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>and <inline-formula><mml:math id="M326" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">0.1</mml:mn></mml:math></inline-formula>. The dashed line is for <inline-formula><mml:math id="M327" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.01</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=227.622047pt}?><graphic xlink:href="https://npg.copernicus.org/articles/30/85/2023/npg-30-85-2023-f04.png"/>

        </fig>

<?xmltex \hack{\newpage}?>
</sec>
<?pagebreak page93?><sec id="Ch1.S4.SS3">
  <label>4.3</label><title>Average cloudiness</title>
      <p id="d1e7730">The average cloudiness is the fraction of time that the stationary process is in the rain state <inline-formula><mml:math id="M328" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. It is defined as
            <disp-formula id="Ch1.Ex5"><mml:math id="M329" display="block"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><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 mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          where <inline-formula><mml:math id="M330" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the solution to the steady-state Fokker–Planck Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E29"/>). For the process <inline-formula><mml:math id="M331" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, it is
            <disp-formula id="Ch1.Ex6"><mml:math id="M332" display="block"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          Furthermore, the variance of the average cloudiness is
            <disp-formula id="Ch1.Ex7"><mml:math id="M333" display="block"><mml:mrow><mml:mtext>var</mml:mtext><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          The average cloudiness is zero when using the point-process model <inline-formula><mml:math id="M334" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. However, for <inline-formula><mml:math id="M335" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as <inline-formula><mml:math id="M336" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:math></inline-formula> tends to zero, the average cloudiness and its variance are <inline-formula><mml:math id="M337" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and nonzero.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S4.SS4">
  <label>4.4</label><title>Total rainfall</title>
      <p id="d1e8032">For an example of using the results of Theorem 2, consider calculating the total rainfall at a specific grid point of a global circulation model. Define the rainfall time series at a point as
            <disp-formula id="Ch1.E35" content-type="numbered"><label>29</label><mml:math id="M338" display="block"><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><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="M339" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> encodes the rainfall rate, and <inline-formula><mml:math id="M340" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> when there is a cloud (or rainfall) and <inline-formula><mml:math id="M341" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> otherwise. One question is what the impact is on total rainfall in a simulation of time <inline-formula><mml:math id="M342" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> between the rain processes <inline-formula><mml:math id="M343" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M344" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d1e8139">Theorem 2 states that
the integrated difference of the total rainfall tends to zero. That is,
            <disp-formula id="Ch1.E36" content-type="numbered"><label>30</label><mml:math id="M345" display="block"><mml:mrow><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">lim⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:munderover><mml:mo>|</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</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:mo>|</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          The proof of the theorem in the Appendix yields more information than that. For example, if it is known that there are <inline-formula><mml:math id="M346" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> rain events after time <inline-formula><mml:math id="M347" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>, then estimate Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E87"/>) yields
            <disp-formula id="Ch1.E37" content-type="numbered"><label>31</label><mml:math id="M348" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:munderover><mml:mo>|</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:mfenced open="(" close=""><mml:mrow><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mo>|</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced open="" close=""><mml:mrow><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msup><mml:mfenced close="|" open="|"><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced open="" close=")"><mml:mrow><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mo>|</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
          where the probability of <inline-formula><mml:math id="M349" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> events is one and where the final remainder term has been dropped (for clarity of this calculation). Here <inline-formula><mml:math id="M350" display="inline"><mml:mi>K</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a global bound on the function <inline-formula><mml:math id="M351" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. For this example, <inline-formula><mml:math id="M352" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. From the estimates in the proof, the right-hand side is bounded by terms which have the first four moments of the event duration time <inline-formula><mml:math id="M353" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the global bound <inline-formula><mml:math id="M354" display="inline"><mml:mi>K</mml:mi></mml:math></inline-formula> of <inline-formula><mml:math id="M355" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and the number of rain events. Thus, Theorem 2 and its proof give details on the differences for key atmospheric elements when using the rain processes <inline-formula><mml:math id="M356" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M357" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></p>
</sec>
<sec id="Ch1.S4.SS5">
  <label>4.5</label><title>Modifications for the point-process model</title>
      <p id="d1e8585">The issue of how to use a finite-event-duration model to inform parameter selection is discussed in this subsection. There are two potential points of concern with the point-process model. One is that the point-process model <inline-formula><mml:math id="M358" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> has rain events of duration zero, whereas the rain process model <inline-formula><mml:math id="M359" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> has rain events of duration <inline-formula><mml:math id="M360" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> Thus, for time <inline-formula><mml:math id="M361" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>,
            <disp-formula id="Ch1.Ex8"><mml:math id="M362" display="block"><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          where <inline-formula><mml:math id="M363" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the random number of rain events in <inline-formula><mml:math id="M364" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> time. For finite <inline-formula><mml:math id="M365" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the value of <inline-formula><mml:math id="M366" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is larger than for the point-process model, on average.</p>
      <p id="d1e8744">There are many potential solutions for the issue of zero-event times for the point-process model. One example is to modify the dry-duration pdf to account for the small but finite size of rain events. That is, let <inline-formula><mml:math id="M367" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be a random variable which models a finite-size rain event. For example, see Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E34"/>). Define
            <disp-formula id="Ch1.Ex9"><mml:math id="M368" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          as a new dry event random variable. This new event distribution would account for the rain event within the dry event. As for the moisture process <inline-formula><mml:math id="M369" display="inline"><mml:mi>q</mml:mi></mml:math></inline-formula>, once the threshold of <inline-formula><mml:math id="M370" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is met, the process then holds at <inline-formula><mml:math id="M371" display="inline"><mml:mi>b</mml:mi></mml:math></inline-formula> for a random time of <inline-formula><mml:math id="M372" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Then the process would jump to <inline-formula><mml:math id="M373" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d1e8839">Another potential modification is the definition of rain amount. For the model with finite <inline-formula><mml:math id="M374" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, for each event the model rains <inline-formula><mml:math id="M375" display="inline"><mml:mi>b</mml:mi></mml:math></inline-formula> amount over a random time <inline-formula><mml:math id="M376" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. For the point-process model, the model rains <inline-formula><mml:math id="M377" display="inline"><mml:mi>b</mml:mi></mml:math></inline-formula> amount instantaneously. Here the discrepancy between the two models is captured in Theorem 2, and the example of total rainfall is the example in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S4.SS4"/>. A possible modification to the model would be to use a finite-event-duration model to help assign a random magnitude to each point-process model event. For example, let <inline-formula><mml:math id="M378" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be random variables with some distribution from a finite-event-duration model which accounts for random rain amounts. Then the point-process model can be modified from Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E11"/>) as
            <disp-formula id="Ch1.E38" content-type="numbered"><label>32</label><mml:math id="M379" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
</sec>
</sec>
<?pagebreak page94?><sec id="Ch1.S5" sec-type="conclusions">
  <label>5</label><title>Conclusions</title>
      <p id="d1e8966">In this paper, a threshold model for moisture and rain was shown to converge to
a point process and related processes and to converge for various modes of convergence. By demonstrating this type of convergence, the simple ideas of
a point-process model of rainfall, which at first may appear to
be only an empirical model, can be linked with underlying
physical processes and the evolution of moisture.</p>
      <p id="d1e8969">Here convergence for the moisture processes was defined and shown for the Fokker–Planck equation as well as the paths of the processes. Furthermore, the convergence of the rain process was shown in mean square difference with respect to the space of generalized functions.</p>
      <p id="d1e8972">Using a point process to approximate rainfall allows simplification for computation and exact formulas. For example, the autocorrelation function is known in the case
of point processes as shown in <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx1" id="text.30"/>. Furthermore, point processes have been studied
extensively in the neural science literature <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx37" id="paren.31"/>, and many statistics have been derived. Some examples of exact statistics are shown. These examples have interesting characteristics as the small parameter <inline-formula><mml:math id="M380" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:math></inline-formula> tends to zero.</p>
      <p id="d1e8988">The proofs shown here are revealing on their own, and they demonstrate further details of the convergence. The Fokker–Planck derivation in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S3.SS1"/> shows that the density for the moisture in the rain state tends to zero, while the flux term remains nonzero, allowing for the “teleporting” boundary condition that arises for the
limiting moisture process. For the convergence of paths of moisture shown in Theorem 1, the moisture process must first be decoupled into a moistening and precipitating process. Then the moistening process is shown to converge (Theorem 1), while the precipitating process contains all of the discontinuities. Finally, the proof of convergence of
the rain processes in Theorem 2 gives estimates that would be useful for
determining the error rates for using the point-process approximation. This is done in an example of total rainfall.</p>
</sec>

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

<app id="App1.Ch1.S1">
  <?xmltex \currentcnt{A}?><label>Appendix A</label><?xmltex \opttitle{Proofs from Sect.~\protect\ref{Ch1.S3} }?><title>Proofs from Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S3"/> </title>
      <p id="d1e9007">The rigorous mathematical proofs and formal asymptotic analysis for the results presented in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S3"/> are given in this Appendix.</p>
<sec id="App1.Ch1.S1.SS1">
  <label>A1</label><title>Derivation of the Fokker–Planck equation </title>
      <p id="d1e9019">The Fokker–Planck equation for the process <inline-formula><mml:math id="M381" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is

                <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M382" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E39"><mml:mtd><mml:mtext>A1</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:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><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">δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</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:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>t</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:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E40"><mml:mtd><mml:mtext>A2</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi>t</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:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            To derive the limiting (<inline-formula><mml:math id="M383" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) Fokker–Planck equation,
the analysis follows the procedure of matched asymptotic expansions
(see, e.g., <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx4" id="altparen.32"/>). Consider two regions <inline-formula><mml:math id="M384" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M385" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Let <inline-formula><mml:math id="M386" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be the density in the first region, which is a boundary layer region, and let <inline-formula><mml:math id="M387" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be the
density away from this region. Since the Fokker–Planck equations have parameter <inline-formula><mml:math id="M388" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, let <inline-formula><mml:math id="M389" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> have the asymptotic expansion of the form
            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.Ex1"><mml:math id="M390" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          and let <inline-formula><mml:math id="M391" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> have the asymptotic expansion
            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.Ex2"><mml:math id="M392" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          These expansions are stopped at the order <inline-formula><mml:math id="M393" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:math></inline-formula> level. This is due to the higher-order terms not having an impact on the limiting equation. In the end, it will be shown that <inline-formula><mml:math id="M394" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> For the region away from the boundary, the density is <inline-formula><mml:math id="M395" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>r</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>b</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> This allows for the teleporting boundary condition of <inline-formula><mml:math id="M396" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <?pagebreak page95?><p id="d1e9621">First, to show <inline-formula><mml:math id="M397" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, consider Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E40"/>) with the rescaled variable <inline-formula><mml:math id="M398" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. This yields the equation
            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E41" content-type="numbered"><label>A3</label><mml:math id="M399" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          Substituting this expansion into Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E41"/>) yields, at order <inline-formula><mml:math id="M400" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and order <inline-formula><mml:math id="M401" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</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>, respectively,<?xmltex \setcounter{equation}{3}?>

                <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E42" specific-use="align" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M402" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E42.43"><mml:mtd><mml:mtext>A4a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E42.44"><mml:mtd><mml:mtext>A4b</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            Note that the <inline-formula><mml:math id="M403" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> equation is not written. At this order and higher, there are iterative PDEs written for <inline-formula><mml:math id="M404" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math id="M405" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. These terms will converge to zero at a rate <inline-formula><mml:math id="M406" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and thus are not considered here.
By solving the order <inline-formula><mml:math id="M407" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> equation in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E42.43"/>) and applying the absorbing boundary condition at <inline-formula><mml:math id="M408" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, one arrives at
            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E45" content-type="numbered"><label>A5</label><mml:math id="M409" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mover accent="true"><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          The order <inline-formula><mml:math id="M410" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</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> equation in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E42.44"/>) has essentially the same solution as above, and, after applying the absorbing boundary condition, one finds
            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E46" content-type="numbered"><label>A6</label><mml:math id="M411" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mover accent="true"><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">̃</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          <?xmltex \hack{\\}?>Now consider the interval away from the boundary <inline-formula><mml:math id="M412" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Let <inline-formula><mml:math id="M413" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be the density in this region. The equation in this region is
            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E47" content-type="numbered"><label>A7</label><mml:math id="M414" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          Note that the <inline-formula><mml:math id="M415" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi></mml:math></inline-formula> term acts on <inline-formula><mml:math id="M416" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which is a function of <inline-formula><mml:math id="M417" 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 asymptotic expansion is for <inline-formula><mml:math id="M418" 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> only in the <inline-formula><mml:math id="M419" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> region, and thus the density <inline-formula><mml:math id="M420" 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> is a first-order term. Substituting the expansion into Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E47"/>) gives the following equations, separated into their orders of <inline-formula><mml:math id="M421" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:math></inline-formula>:<?xmltex \setcounter{equation}{7}?>

                <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E48" specific-use="gather" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M422" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E48.49"><mml:mtd><mml:mtext>A8a</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E48.50"><mml:mtd><mml:mtext>A8b</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>O</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><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>

            The order <inline-formula><mml:math id="M423" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</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> equation in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E48.49"/>) has the solution
            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E51" content-type="numbered"><label>A9</label><mml:math id="M424" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          Note that <inline-formula><mml:math id="M425" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a density, and thus <inline-formula><mml:math id="M426" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> must be integrable on <inline-formula><mml:math id="M427" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Thus, <inline-formula><mml:math id="M428" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and
            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E52" content-type="numbered"><label>A10</label><mml:math id="M429" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          From the first-order equation in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E48.50"/>), by substituting in <inline-formula><mml:math id="M430" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we arrive at
            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E53" content-type="numbered"><label>A11</label><mml:math id="M431" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close="" open="{"><mml:mtable class="array" columnalign="left center right"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mtext>for</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>r</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mtext>for</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          Note that the constant of integration in each interval of <inline-formula><mml:math id="M432" display="inline"><mml:mi>b</mml:mi></mml:math></inline-formula> must be the same. Otherwise, the magnitude of the <inline-formula><mml:math id="M433" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi></mml:math></inline-formula> function in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E48.50"/>) would not be correct. The density <inline-formula><mml:math id="M434" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> must be integrable, which implies that
            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E54" content-type="numbered"><label>A12</label><mml:math id="M435" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>r</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          It is assumed that the matching between the <inline-formula><mml:math id="M436" display="inline"><mml:mi>A</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M437" display="inline"><mml:mi>B</mml:mi></mml:math></inline-formula> solutions must occur
at an intermediate location or overlapping region.
That is, for values of <inline-formula><mml:math id="M438" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.Ex3"><mml:math id="M439" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          and
            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.Ex4"><mml:math id="M440" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          The first equation implies that <inline-formula><mml:math id="M441" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M442" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In the limit as <inline-formula><mml:math id="M443" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the second equation yields
            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E55" content-type="numbered"><label>A13</label><mml:math id="M444" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>r</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          Thus, the densities are
            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E56" content-type="numbered"><label>A14</label><mml:math id="M445" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          and
            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E57" content-type="numbered"><label>A15</label><mml:math id="M446" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="{" close=""><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{8.5}{8.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mtable class="array" columnalign="left right"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>r</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>r</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          Note that the flux of <inline-formula><mml:math id="M447" 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> at <inline-formula><mml:math id="M448" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is, to leading order, in terms of <inline-formula><mml:math id="M449" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E58" content-type="numbered"><label>A16</label><mml:math id="M450" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          Using the asymptotic formula for <inline-formula><mml:math id="M451" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> yields
            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E59" content-type="numbered"><label>A17</label><mml:math id="M452" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mfenced close="}" open="{"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>r</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          Consequently, while the rain-state density itself is small
(i.e., <inline-formula><mml:math id="M453" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), the flux <inline-formula><mml:math id="M454" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the rain state is
<inline-formula><mml:math id="M455" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and its value <inline-formula><mml:math id="M456" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at the threshold <inline-formula><mml:math id="M457" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
represents an <inline-formula><mml:math id="M458" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> flux from the rain state to the dry state.</p>
      <p id="d1e11779">Thus, the Fokker–Planck-type equation for <inline-formula><mml:math id="M459" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is

                <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M460" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E60"><mml:mtd><mml:mtext>A18</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><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>&lt;</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</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:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E61"><mml:mtd><mml:mtext>A19</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            with the following conditions:

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M461" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E62"><mml:mtd><mml:mtext>A20</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><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="App1.Ch1.S1.E63"><mml:mtd><mml:mtext>A21</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S1.SS2">
  <label>A2</label><title>Proof of Lemma 1 </title>
      <?pagebreak page96?><p id="d1e12024">Note that the process
<inline-formula><mml:math id="M462" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a renewal process. It is defined by the interarrival times
            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E64" content-type="numbered"><label>A22</label><mml:math id="M463" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          where <inline-formula><mml:math id="M464" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the duration for the <inline-formula><mml:math id="M465" display="inline"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula>th dry (rain) event of the <inline-formula><mml:math id="M466" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> process. Note that <inline-formula><mml:math id="M467" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is used instead of <inline-formula><mml:math id="M468" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to align with the common notation of renewal processes. The distributions of <inline-formula><mml:math id="M469" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M470" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the same and are independent of <inline-formula><mml:math id="M471" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, while <inline-formula><mml:math id="M472" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> depends on <inline-formula><mml:math id="M473" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. For the lemma, the quantity of interest is the probability of having <inline-formula><mml:math id="M474" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> rain events in time <inline-formula><mml:math id="M475" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>, which is defined as
            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E65" content-type="numbered"><label>A23</label><mml:math id="M476" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=""><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">⋯</mml:mi><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced open="" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">⋯</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
          The probability on the right-hand side is estimated crudely by only considering one of the two events. Note that <inline-formula><mml:math id="M477" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are independent and identically distributed (IID) random variables with <inline-formula><mml:math id="M478" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M479" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext>Var</mml:mtext><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, so that

                <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E66" content-type="numbered"><label>A24</label><mml:math id="M480" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">⋯</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          The above probability is estimated by using a variant of the Chernoff bound <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx18" id="paren.33"/>. That is,
            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E67" content-type="numbered"><label>A25</label><mml:math id="M481" display="block"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">⋯</mml:mi><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∏</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          for any <inline-formula><mml:math id="M482" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M483" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the moment-generating function for the random variable <inline-formula><mml:math id="M484" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The moment-generating function can be factored due to independence of <inline-formula><mml:math id="M485" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M486" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>:
            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E68" content-type="numbered"><label>A26</label><mml:math id="M487" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></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>
          These moment-generating functions are computed explicitly from the distributions found in <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx21" id="text.34"/>. They are

                <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M488" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E69"><mml:mtd><mml:mtext>A27</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><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:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mfenced close="}" open="{"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mi>s</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E70"><mml:mtd><mml:mtext>A28</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><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:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mfenced open="{" close="}"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            which are defined for <inline-formula><mml:math id="M489" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mo>min⁡</mml:mo><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
Chernoff's bound then yields

                <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M490" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E71"><mml:mtd><mml:mtext>A29</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">⋯</mml:mi><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E72"><mml:mtd><mml:mtext>A30</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∏</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E73"><mml:mtd><mml:mtext>A31</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mfenced open="{" close=""><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced open="" close="}"><mml:mrow><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E74"><mml:mtd><mml:mtext>A32</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mfenced close="}" open="{"><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d1e13443"><?xmltex \hack{\hspace*{7.8cm}}?><inline-formula><mml:math id="M491" display="inline"><mml:mo>□</mml:mo></mml:math></inline-formula></p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S1.SS3">
  <label>A3</label><title>Proof of Theorem 1 </title>
      <p id="d1e13461">To begin, note that the SDEs for <inline-formula><mml:math id="M492" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M493" display="inline"><mml:mi>E</mml:mi></mml:math></inline-formula> (see Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E12"/>) only differ when <inline-formula><mml:math id="M494" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Thus, the solutions to the SDEs give the formula
            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E75" content-type="numbered"><label>A33</label><mml:math id="M495" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced close="|" open="|"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close="|" open="|"><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:munderover><mml:mi>m</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
          where <inline-formula><mml:math id="M496" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the number of rain events for <inline-formula><mml:math id="M497" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M498" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is fixed. Note that interval <inline-formula><mml:math id="M499" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> has been written as <inline-formula><mml:math id="M500" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to emphasize the rain event duration <inline-formula><mml:math id="M501" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
To proceed, the number
of rain events is conditioned to be <inline-formula><mml:math id="M502" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula>.
Note that <inline-formula><mml:math id="M503" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the stochastic integral is a martingale, and
Doob's maximal inequality yields
            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E76" content-type="numbered"><label>A34</label><mml:math id="M504" display="block"><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{8.8}{8.8}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">sup⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mfenced open="|" close="|"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>≤</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mfenced close="|" open=""><mml:mrow><mml:msup><mml:mfenced open="|" close="|"><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:munderover><mml:mi>m</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          By Lemma 1, the sum above converges due to the fast decay of <inline-formula><mml:math id="M505" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as <inline-formula><mml:math id="M506" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
Applying the Cauchy–Schwarz inequality to the sum and the Itô isometry to the stochastic integral yields
            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E77" content-type="numbered"><label>A35</label><mml:math id="M507" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">sup⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mfenced open="|" close="|"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>≤</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mfenced close="|" open=""><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>|</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mo>|</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>|</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>|</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
          where <inline-formula><mml:math id="M508" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes the general event duration, which has the same distribution as all of the IID <inline-formula><mml:math id="M509" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
This sum converges due to the fast decay of <inline-formula><mml:math id="M510" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as shown in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E74"/>).</p>
      <?pagebreak page97?><p id="d1e14404">To finish the proof, the following moments of <inline-formula><mml:math id="M511" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are used. The integrals can be computed exactly using the densities for <inline-formula><mml:math id="M512" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> found in <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx21" id="text.35"/>. They are
            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E78" content-type="numbered"><label>A36</label><mml:math id="M513" display="block"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mo>|</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          Thus, the limit is

                <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M514" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E79"><mml:mtd><mml:mtext>A37</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.3}{9.3}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">lim⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">sup⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mfenced open="|" close="|"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>≤</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">lim⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mfenced open="" close="|"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>|</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mo>|</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>|</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>|</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E80"><mml:mtd><mml:mtext>A38</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.3}{9.3}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>≤</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">lim⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E81"><mml:mtd><mml:mtext>A39</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            where Tonelli's theorem allows the limit as <inline-formula><mml:math id="M515" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to exchange with the infinite sum.
This completes the proof.</p>
      <p id="d1e14929"><?xmltex \hack{\hspace*{7.8cm}}?><inline-formula><mml:math id="M516" display="inline"><mml:mo>□</mml:mo></mml:math></inline-formula></p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S1.SS4">
  <label>A4</label><title>Proof of Theorem 2 </title>
      <p id="d1e14946">To prove the theorem, the expectation is conditioned
on the number of events <inline-formula><mml:math id="M517" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, as was done in the previous section. Thus, the expectation is
            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E82" content-type="numbered"><label>A40</label><mml:math id="M518" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>〈</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><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:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced open="[" close=""><mml:mfenced close="" open=""><mml:mfenced close="" open="("><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:munderover><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><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:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfenced open="" close="]"><mml:mrow><mml:mfenced open="" close="|"><mml:mrow><mml:msup><mml:mfenced close=")" open=""><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
          where <inline-formula><mml:math id="M519" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the number of
dry events for the <inline-formula><mml:math id="M520" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> process up to time
<inline-formula><mml:math id="M521" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Again, because of the decay of <inline-formula><mml:math id="M522" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as <inline-formula><mml:math id="M523" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> given in Lemma 1, the infinite sum converges.</p>
      <?pagebreak page98?><p id="d1e15371">To estimate the quantity in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E82"/>), one rain event is considered, and the Cauchy–Schwarz bound will be used. Consider the <inline-formula><mml:math id="M524" display="inline"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula>th rain event:
            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E83" content-type="numbered"><label>A41</label><mml:math id="M525" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:munderover><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">T</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:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><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:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">T</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:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><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:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
          The function <inline-formula><mml:math id="M526" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is smooth on <inline-formula><mml:math id="M527" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and thus is locally Lipschitz. Let the Lipschitz constant be <inline-formula><mml:math id="M528" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Then, along with the triangle inequality,

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M529" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E84"><mml:mtd><mml:mtext>A42</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mfenced open="|" close="|"><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:munderover><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>≤</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>K</mml:mi><mml:mfenced close="|" open="|"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced close="|" open="|"><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E85"><mml:mtd><mml:mtext>A43</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mo>|</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced open="|" close="|"><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E86"><mml:mtd><mml:mtext>A44</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            where the last inequality results from <inline-formula><mml:math id="M530" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> being an increasing function on <inline-formula><mml:math id="M531" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Using the inequality above, along with the Cauchy–Schwarz inequality, the quantity in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E82"/>) is bounded by
            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E87" content-type="numbered"><label>A45</label><mml:math id="M532" display="block"><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced close="" open="["><mml:mfenced open="(" close=""><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:munderover><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</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>b</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced open="" close="]"><mml:mrow><mml:msup><mml:mfenced close=")" open=""><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo mathsize="2.5em">|</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>≤</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:mfenced close="" open="("><mml:mrow><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mo>|</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced open="" close=""><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mo mathsize="2.5em">|</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mo mathsize="2.5em">|</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open=""><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mo mathsize="2.5em">|</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mo mathsize="2.5em">|</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          where all expectations are conditional on <inline-formula><mml:math id="M533" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <?pagebreak page99?><p id="d1e17034">To finish the theorem, the following moments of <inline-formula><mml:math id="M534" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are used:
            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E88" content-type="numbered"><label>A46</label><mml:math id="M535" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mo>|</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>r</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:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mo>|</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">15</mml:mn><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:msup></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:mn mathvariant="normal">15</mml:mn><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
          Thus, the first term in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E87"/>) is
            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E89" content-type="numbered"><label>A47</label><mml:math id="M536" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mo>|</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          The second term in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E87"/>) is

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M537" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:msup><mml:mfenced open="|" close="|"><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E90"><mml:mtd><mml:mtext>A48</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E91"><mml:mtd><mml:mtext>A49</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>b</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E92"><mml:mtd><mml:mtext>A50</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E93"><mml:mtd><mml:mtext>A51</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            where the expectation turns into a product because <inline-formula><mml:math id="M538" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M539" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are independent. For the third
term of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E87"/>), the Lipschitz condition is used to write
            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E94" content-type="numbered"><label>A52</label><mml:math id="M540" display="block"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mo>|</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>≤</mml:mo><mml:msup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">T</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:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          Note that the stopping times can be written in terms of the moistening processes in the following way:

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M541" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E95"><mml:mtd><mml:mtext>A53</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>m</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:munderover><mml:mi>m</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E96"><mml:mtd><mml:mtext>A54</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>m</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:munderover><mml:mi>m</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E97"><mml:mtd><mml:mtext>A55</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>m</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:munderover><mml:mi>m</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:munderover><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munder></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>m</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:munderover><mml:mi>m</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E98"><mml:mtd><mml:mtext>A56</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:munderover><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:munderover><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>m</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E99"><mml:mtd><mml:mtext>A57</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            where <inline-formula><mml:math id="M542" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Similarly,

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M543" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E100"><mml:mtd><mml:mtext>A58</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>m</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:mi>m</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E101"><mml:mtd><mml:mtext>A59</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>m</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:mi>m</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E102"><mml:mtd><mml:mtext>A60</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>m</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            where the Wiener process is the same realization as in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E99"/>). The definitions of the stopping times <inline-formula><mml:math id="M544" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M545" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> imply
            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.Ex10"><mml:math id="M546" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">bi</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          Thus, the difference in stopping times is

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M547" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">T</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:mfenced open="|" close=""><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>m</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E103"><mml:mtd><mml:mtext>A61</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mfenced open="" close="|"><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E104"><mml:mtd><mml:mtext>A62</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{8.8}{8.8}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>≤</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced open="|" close="|"><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:munderover><mml:mo>|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mo>|</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:munderover><mml:msup><mml:mfenced close="|" open="|"><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            where the triangle inequality has been used. Taking the expected value and using the Itô isometry yields

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M548" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">T</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:mo>≤</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E105"><mml:mtd><mml:mtext>A63</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mo>|</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E106"><mml:mtd><mml:mtext>A64</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mo>|</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            Note that <inline-formula><mml:math id="M549" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M550" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are IID random variables with the same distribution, and thus the expectations cancel. For the remaining terms, the moments of <inline-formula><mml:math id="M551" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E88"/>) are used to give
            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E107" content-type="numbered"><label>A65</label><mml:math id="M552" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">T</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:mo>≤</mml:mo><mml:msup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mo>|</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
          which completes the consideration of the third term of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E87"/>).</p>
      <p id="d1e19887">For the last “remainder” term in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E87"/>), the expectation is conditioned on both <inline-formula><mml:math id="M553" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M554" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. That is,

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M555" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi mathvariant="normal">CE</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mfenced close="|" open=""><mml:mrow><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E108"><mml:mtd><mml:mtext>A66</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E109"><mml:mtd><mml:mtext>A67</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">CE</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:mi mathvariant="normal">CE</mml:mi><mml:mfenced close="" open="["><mml:mfenced open="" close="|"><mml:mrow><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mfenced open="" close="]"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E110"><mml:mtd><mml:mtext>A68</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            If <inline-formula><mml:math id="M556" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><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:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, then there is no sum, and the term is zero. If <inline-formula><mml:math id="M557" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><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:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, then the processes <inline-formula><mml:math id="M558" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M559" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S3.SS3"/> must be at least <inline-formula><mml:math id="M560" display="inline"><mml:mi>b</mml:mi></mml:math></inline-formula> units apart. Thus, by Theorem 1,
            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E111" content-type="numbered"><label>A69</label><mml:math id="M561" display="block"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><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:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:msup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          Furthermore, convergence in expectation <inline-formula><mml:math id="M562" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> implies convergence in probability. Therefore,
            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E112" content-type="numbered"><label>A70</label><mml:math id="M563" display="block"><mml:mrow><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">lim⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:msup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          Putting this together with the above estimate yields

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M564" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">lim⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:mi mathvariant="normal">CE</mml:mi><mml:mfenced open="[" close=""><mml:mfenced open="" close="|"><mml:mrow><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E113"><mml:mtd><mml:mtext>A71</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mfenced open="" close="]"><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>≤</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">lim⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:mi mathvariant="normal">CE</mml:mi><mml:mfenced close="" open="["><mml:mfenced open="" close="|"><mml:mrow><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mfenced open="" close="]"><mml:mrow><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E114"><mml:mtd><mml:mtext>A72</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:msup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E115"><mml:mtd><mml:mtext>A73</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            by using Tonelli's theorem to exchange the sums and the limit. Thus, all of the terms in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E87"/>) have been shown to converge to 0 as <inline-formula><mml:math id="M565" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, so that, returning to
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E82"/>) and taking the limit, we have
            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E116" content-type="numbered"><label>A74</label><mml:math id="M566" display="block"><mml:mrow><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">lim⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>〈</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mo>〉</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          and the proof is completed.</p>
      <p id="d1e21050"><?xmltex \hack{\hspace*{7.8cm}}?><inline-formula><mml:math id="M567" display="inline"><mml:mo>□</mml:mo></mml:math></inline-formula></p>
</sec>
</app>
  </app-group><notes notes-type="codeavailability"><title>Code availability</title>

      <p id="d1e21064">Code to produce the figures is available from the authors on request.</p>
  </notes><notes notes-type="dataavailability"><title>Data availability</title>

      <p id="d1e21070">All of the data used in this paper are publicly available from the references listed.</p>
  </notes><notes notes-type="authorcontribution"><title>Author contributions</title>

      <p id="d1e21076">Both the authors contributed to the final draft of the work. Additionally, SH contributed to the formal analysis and writing of the original draft preparation, and SNS contributed to the conceptualization and writing, review, and editing.</p>
  </notes><notes notes-type="competinginterests"><title>Competing interests</title>

      <p id="d1e21082">The contact author has declared that neither of the authors has any competing interests.</p>
  </notes><notes notes-type="disclaimer"><title>Disclaimer</title>

      <p id="d1e21089">Publisher's note: Copernicus Publications remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations.</p>
  </notes><notes notes-type="financialsupport"><title>Financial support</title>

      <p id="d1e21095">This research has been supported by the Division of Mathematical Sciences (grant no. 1815061).</p>
  </notes><notes notes-type="reviewstatement"><title>Review statement</title>

      <p id="d1e21101">This paper was edited by Balasubramanya Nadiga and reviewed by three anonymous referees.</p>
  </notes><ref-list>
    <title>References</title>

      <ref id="bib1.bibx1"><?xmltex \def\ref@label{{Abbott et~al.(2016)Abbott, Stechmann, and Neelin}}?><label>Abbott et al.(2016)Abbott, Stechmann, and Neelin</label><?label asn16?><mixed-citation>
Abbott, T. H., Stechmann, S. N., and Neelin, J. D.: Long temporal
autocorrelations in tropical precipitation data and spike train prototypes,
Geophys. Res. Lett., 43, 11–472, 2016.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx2"><?xmltex \def\ref@label{{Ahmed and Neelin(2019)}}?><label>Ahmed and Neelin(2019)</label><?label ahmed2019explaining?><mixed-citation>
Ahmed, F. and Neelin, J. D.: Explaining scales and statistics of tropical
precipitation clusters with a stochastic model, J. Atmos.
Sci., 76, 3063–3087, 2019.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx3"><?xmltex \def\ref@label{{Albano et~al.(2008)Albano, Giorno, Nobile, and Ricciardi}}?><label>Albano et al.(2008)Albano, Giorno, Nobile, and Ricciardi</label><?label aetal08?><mixed-citation>
Albano, G., Giorno, V., Nobile, A. G., and Ricciardi, L. M.: Modeling
refractoriness for stochastically driven single neurons, Scientiae
Mathematicae Japonicae, 67, 173–190, 2008.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx4"><?xmltex \def\ref@label{{Bender and Orszag(2013)}}?><label>Bender and Orszag(2013)</label><?label bo13?><mixed-citation>
Bender, C. M. and Orszag, S. A.: Advanced mathematical methods for scientists
and engineers I: Asymptotic methods and perturbation theory, Springer Science
&amp; Business Media,  ISBN 0387989315, 2013.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx5"><?xmltex \def\ref@label{{Bhat(1994)}}?><label>Bhat(1994)</label><?label b94?><mixed-citation>
Bhat, V. N.: Renewal approximations of the switched Poisson processes and their
applications to queueing systems, J. Oper. Res.
Soc., 45, 345–353, 1994.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx6"><?xmltex \def\ref@label{{Cowpertwait et~al.(1996)Cowpertwait, O'Connell, Metcalfe, and
Mawdsley}}?><label>Cowpertwait et al.(1996)Cowpertwait, O'Connell, Metcalfe, and
Mawdsley</label><?label cowpertwait1996stochastic?><mixed-citation>
Cowpertwait, P., O'Connell, P., Metcalfe, A., and Mawdsley, J.: Stochastic
point process modelling of rainfall. I. Single-site fitting and validation,
J. Hydrol., 175, 17–46, 1996.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx7"><?xmltex \def\ref@label{{Cox(1962)}}?><label>Cox(1962)</label><?label c62?><mixed-citation>
Cox, D. R.: Renewal theory, Methuen, London, ISBN 978-0412205705, 1962.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx8"><?xmltex \def\ref@label{{Deluca and Corral(2014)}}?><label>Deluca and Corral(2014)</label><?label dc14?><mixed-citation>Deluca, A. and Corral, Á.: Scale invariant events and dry spells for medium-resolution local rain data, Nonlin. Processes Geophys., 21, 555–567, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5194/npg-21-555-2014" ext-link-type="DOI">10.5194/npg-21-555-2014</ext-link>, 2014.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx9"><?xmltex \def\ref@label{{Deluca et~al.(2015)Deluca, Moloney, and Corral}}?><label>Deluca et al.(2015)Deluca, Moloney, and Corral</label><?label deluca2015?><mixed-citation>Deluca, A., Moloney, N. R., and Corral, Á.: Data-driven prediction of
thresholded time series of rainfall and self-organized criticality models,
Phys. Rev. E, 91, 052808, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1103/PhysRevE.91.052808" ext-link-type="DOI">10.1103/PhysRevE.91.052808</ext-link>, 2015.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx10"><?xmltex \def\ref@label{{Evans and Majumdar(2011)}}?><label>Evans and Majumdar(2011)</label><?label evans2011?><mixed-citation>Evans, M. R. and Majumdar, S. N.: Diffusion with stochastic resetting, Phys.
Rev. Lett., 106, 160601, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.106.160601" ext-link-type="DOI">10.1103/PhysRevLett.106.160601</ext-link>, 2011.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx11"><?xmltex \def\ref@label{{Evans et~al.(2020)Evans, Majumdar, and Schehr}}?><label>Evans et al.(2020)Evans, Majumdar, and Schehr</label><?label evans2020?><mixed-citation>Evans, M. R., Majumdar, S. N., and Schehr, G.: Stochastic resetting and
applications, J. Phys. A., 53,
193001, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1088/1751-8121/ab7cfe" ext-link-type="DOI">10.1088/1751-8121/ab7cfe</ext-link>, 2020.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx12"><?xmltex \def\ref@label{{Filippov(2013)}}?><label>Filippov(2013)</label><?label f13?><mixed-citation>
Filippov, A. F.: Differential equations with discontinuous righthand sides:
control systems, vol. 18, Springer Science &amp; Business Media,  ISBN 9789027726995, 2013.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx13"><?xmltex \def\ref@label{{Foufoula-Georgiou and Lettenmaier(1987)}}?><label>Foufoula-Georgiou and Lettenmaier(1987)</label><?label fl87?><mixed-citation>
Foufoula-Georgiou, E. and Lettenmaier, D. P.: A Markov renewal model for
rainfall occurrences, Water Resour. Res., 23, 875–884, 1987.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx14"><?xmltex \def\ref@label{{Frierson et~al.(2004)Frierson, Majda, and Pauluis}}?><label>Frierson et al.(2004)Frierson, Majda, and Pauluis</label><?label fmp04?><mixed-citation>
Frierson, D. M. W., Majda, A. J., and Pauluis, O. M.: Large scale dynamics of
precipitation fronts in the tropical atmosphere: a novel relaxation limit,
Commun. Math. Sci., 2, 591–626, 2004.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx15"><?xmltex \def\ref@label{{Gardiner(2004)}}?><label>Gardiner(2004)</label><?label gardiner04?><mixed-citation>
Gardiner, C. W.: Handbook of stochastic methods: for physics, chemistry &amp; the
natural sciences, vol. 13 of Springer Series in Synergetics,
Springer–Verlag, Berlin, ISBN 9783540707127, 2004.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx16"><?xmltex \def\ref@label{{Green(1964)}}?><label>Green(1964)</label><?label g64?><mixed-citation>
Green, J. R.: A model for rainfall occurrence, J. Roy. Stat. Soc. Ser. B,
26, 345–353, 1964.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx17"><?xmltex \def\ref@label{{Hernandez-Duenas et~al.(2019)Hernandez-Duenas, Smith, and
Stechmann}}?><label>Hernandez-Duenas et al.(2019)Hernandez-Duenas, Smith, and
Stechmann</label><?label hss19?><mixed-citation>Hernandez-Duenas, G., Smith, L. M., and Stechmann, S. N.: Weak-and
strong-friction limits of parcel models: Comparisons and stochastic
convective initiation time, Q. J. Roy. Meteor. Soc., 145, 2272–2291,
<ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1002/qj.3557" ext-link-type="DOI">10.1002/qj.3557</ext-link>, 2019.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx18"><?xmltex \def\ref@label{{Hoeffding(1994)}}?><label>Hoeffding(1994)</label><?label h94?><mixed-citation>
Hoeffding, W.: Probability inequalities for sums of bounded random variables,
in: The Collected Works of Wassily Hoeffding,  Springer, 409–426,  ISBN 9780387943107, 1994.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx19"><?xmltex \def\ref@label{{Holloway and Neelin(2010)}}?><label>Holloway and Neelin(2010)</label><?label hn10?><mixed-citation>
Holloway, C. E. and Neelin, J. D.: Temporal relations of column water vapor and
tropical precipitation, J. Atmos. Sci., 67, 1091–1105, 2010.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx20"><?xmltex \def\ref@label{{Hottovy and Stechmann(2015{\natexlab{a}})}}?><label>Hottovy and Stechmann(2015a)</label><?label hs15jas?><mixed-citation>Hottovy, S. A. and Stechmann, S. N.: A spatiotemporal stochastic model for
tropical precipitation and water vapor dynamics, J. Atmos. Sci., 72,
4721–4738, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1175/JAS-D-15-0119.1" ext-link-type="DOI">10.1175/JAS-D-15-0119.1</ext-link>, 2015a.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx21"><?xmltex \def\ref@label{{Hottovy and Stechmann(2015{\natexlab{b}})}}?><label>Hottovy and Stechmann(2015b)</label><?label hs15siap?><mixed-citation>Hottovy, S. A. and Stechmann, S. N.: Threshold models for rainfall and
convection: Deterministic versus stochastic triggers, SIAM J. Appl. Math.,
75, 861–884, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1137/140980788" ext-link-type="DOI">10.1137/140980788</ext-link>, 2015b.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx22"><?xmltex \def\ref@label{{Huang et~al.(2022)Huang, Stechmann, and
Torchinsky}}?><label>Huang et al.(2022)Huang, Stechmann, and
Torchinsky</label><?label huang2022framework?><mixed-citation>
Huang, T., Stechmann, S. N., and Torchinsky, J. L.: Framework for idealized
climate simulations with spatiotemporal stochastic clouds and planetary-scale
circulations, Phys. Rev. Fluids, 7, 010502, 2022.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx23"><?xmltex \def\ref@label{{Jakubowski(1997)}}?><label>Jakubowski(1997)</label><?label j97?><mixed-citation>Jakubowski, A.: A non-Skorohod topology on the Skorohod space,
Electron. J. Probab., 2, 1–21, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1214/EJP.v2-18" ext-link-type="DOI">10.1214/EJP.v2-18</ext-link>, 1997.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx24"><?xmltex \def\ref@label{{Katz(1977)}}?><label>Katz(1977)</label><?label katz1977precipitation?><mixed-citation>
Katz, R. W.: Precipitation as a chain-dependent process, J. Appl.
Meteorol., 16, 671–676, 1977.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx25"><?xmltex \def\ref@label{{Kelley(2017)}}?><label>Kelley(2017)</label><?label kelleytop?><mixed-citation>
Kelley, J. L.: General topology, Courier Dover Publications, ISBN 9783540901259, 2017.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx26"><?xmltex \def\ref@label{{Khouider and Majda(2005)}}?><label>Khouider and Majda(2005)</label><?label km05tcfdi?><mixed-citation>Khouider, B. and Majda, A. J.: A non-oscillatory balanced scheme for an
idealized tropical climate model: Part I: Algorithm and validation,
Theor. Comp. Fluid Dyn., 19, 331–354, 2005.
 </mixed-citation></ref><?xmltex \hack{\newpage}?>
      <ref id="bib1.bibx27"><?xmltex \def\ref@label{{Khouider et~al.(2010)Khouider, Biello, and Majda}}?><label>Khouider et al.(2010)Khouider, Biello, and Majda</label><?label kbm10?><mixed-citation>
Khouider, B., Biello, J. A., and Majda, A. J.: A stochastic multicloud model
for tropical convection, Comm. Math. Sci., 8, 187–216, 2010.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx28"><?xmltex \def\ref@label{{Kurtz(1991)}}?><label>Kurtz(1991)</label><?label kurtz91?><mixed-citation>
Kurtz, T. G.: Random time changes and convergence in distribution under the
Meyer-Zheng conditions,  Ann. Probab., 19, 1010–1034, 1991.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx29"><?xmltex \def\ref@label{{Lejay and Pigato(2019)}}?><label>Lejay and Pigato(2019)</label><?label lp19?><mixed-citation>Lejay, A. and Pigato, P.: A threshold model for local volatility: evidence of
leverage and mean reversion effects on historical data, Int. J.
Theor. Appl. Finan., 22, 1950017, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1142/S0219024919500171" ext-link-type="DOI">10.1142/S0219024919500171</ext-link>, 2019.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx30"><?xmltex \def\ref@label{{Lin and Neelin(2000)}}?><label>Lin and Neelin(2000)</label><?label ln00?><mixed-citation>Lin, J. and Neelin, J.: Influence of a stochastic moist convective
parameterization on tropical climate variability, Geophys. Res. Lett., 27,
3691–3694, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/2000GL011964" ext-link-type="DOI">10.1029/2000GL011964</ext-link>, 2000.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx31"><?xmltex \def\ref@label{{Mueller and Stechmann(2020)}}?><label>Mueller and Stechmann(2020)</label><?label mueller2020shallow?><mixed-citation>
Mueller, E. A. and Stechmann, S. N.: Shallow-cloud impact on climate and
uncertainty: A simple stochastic model, Mathematics of Climate and Weather
Forecasting, 6, 16–37, 2020.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx32"><?xmltex \def\ref@label{{Neelin et~al.(2017)Neelin, Sahany, Stechmann, and Bernstein}}?><label>Neelin et al.(2017)Neelin, Sahany, Stechmann, and Bernstein</label><?label nssb17?><mixed-citation>Neelin, J. D., Sahany, S., Stechmann, S. N., and Bernstein, D. N.: Global
warming precipitation accumulation increases above the current-c limate
cutoff scale, P. Natl. Acad. Sci. USA, 114, 1258–1263,
<ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1073/pnas.1615333114" ext-link-type="DOI">10.1073/pnas.1615333114</ext-link>, 2017.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx33"><?xmltex \def\ref@label{{Peters and Neelin(2006)}}?><label>Peters and Neelin(2006)</label><?label pn06?><mixed-citation>
Peters, O. and Neelin, J. D.: Critical phenomena in atmospheric precipitation,
Nat. Phys., 2, 393–396, 2006.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx34"><?xmltex \def\ref@label{{Peters et~al.(2010)Peters, Deluca, Corral, Neelin, and
Holloway}}?><label>Peters et al.(2010)Peters, Deluca, Corral, Neelin, and
Holloway</label><?label petal10?><mixed-citation>Peters, O., Deluca, A., Corral, A., Neelin, J. D., and Holloway, C. E.:
Universality of rain event size distributions, J. Stat. Mech., 2010,
P11030, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1088/1742-5468/2010/11/P11030" ext-link-type="DOI">10.1088/1742-5468/2010/11/P11030</ext-link>, 2010.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx35"><?xmltex \def\ref@label{{Richardson(1981)}}?><label>Richardson(1981)</label><?label richardson1981stochastic?><mixed-citation>
Richardson, C. W.: Stochastic simulation of daily precipitation, temperature,
and solar radiation, Water Resour. Res., 17, 182–190, 1981.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx36"><?xmltex \def\ref@label{{Rodriguez-Iturbe et~al.(1988)Rodriguez-Iturbe, Cox, and
Isham}}?><label>Rodriguez-Iturbe et al.(1988)Rodriguez-Iturbe, Cox, and
Isham</label><?label rodriguez1988point?><mixed-citation>
Rodriguez-Iturbe, I., Cox, D. R., and Isham, V.: A point process model for
rainfall: further developments, P. Roy. Soc. Lond.
A Mat., 417, 283–298, 1988.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx37"><?xmltex \def\ref@label{{Sacerdote and Giraudo(2013)}}?><label>Sacerdote and Giraudo(2013)</label><?label sg13?><mixed-citation>Sacerdote, L. and Giraudo, M. T.: Stochastic integrate and fire models: a
review on mathematical methods and their applications, in: Stochastic
biomathematical models, Springer,  99–148, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1007/978-3-642-32157-3_5" ext-link-type="DOI">10.1007/978-3-642-32157-3_5</ext-link>, 2013.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx38"><?xmltex \def\ref@label{{Simpson and Kuske(2012)}}?><label>Simpson and Kuske(2012)</label><?label sk14?><mixed-citation>Simpson, D. J. W. and Kuske, R.: Stochastically perturbed sliding motion in piecewise-smooth systems, arXiv [preprint], <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.48550/arXiv.1204.5792" ext-link-type="DOI">10.48550/arXiv.1204.5792</ext-link>, 2012.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx39"><?xmltex \def\ref@label{{Smith and Karr(1983)}}?><label>Smith and Karr(1983)</label><?label smith1983point?><mixed-citation>
Smith, J. A. and Karr, A. F.: A point process model of summer season rainfall
occurrences, Water Resour. Res., 19, 95–103, 1983.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx40"><?xmltex \def\ref@label{{Stechmann and Hottovy(2016)}}?><label>Stechmann and Hottovy(2016)</label><?label sh16?><mixed-citation>
Stechmann, S. N. and Hottovy, S.: Cloud regimes as phase transitions,
Geophys. Res. Lett., 43, 6579–6587, 2016.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx41"><?xmltex \def\ref@label{{Stechmann and Neelin(2011)}}?><label>Stechmann and Neelin(2011)</label><?label sn11?><mixed-citation>
Stechmann, S. N. and Neelin, J. D.: A stochastic model for the transition to
strong convection, J. Atmos. Sci., 68, 2955–2970, 2011.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx42"><?xmltex \def\ref@label{{Stechmann and Neelin(2014)}}?><label>Stechmann and Neelin(2014)</label><?label sn14?><mixed-citation>
Stechmann, S. N. and Neelin, J. D.: First-passage-time prototypes for
precipitation statistics, J. Atmos. Sci., 71, 3269–3291, 2014.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx43"><?xmltex \def\ref@label{{Whitt(1982)}}?><label>Whitt(1982)</label><?label w82?><mixed-citation>
Whitt, W.: Approximating a point process by a renewal process, I: Two basic
methods, Oper. Res., 30, 125–147, 1982.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx44"><?xmltex \def\ref@label{{Wilks and Wilby(1999)}}?><label>Wilks and Wilby(1999)</label><?label wilks1999weather?><mixed-citation>
Wilks, D. S. and Wilby, R. L.: The weather generation game: a review of
stochastic weather models, Prog. Phys. Geog., 23, 329–357,
1999.</mixed-citation></ref>

  </ref-list></back>
    <!--<article-title-html>Rain process models and convergence to point processes</article-title-html>
<abstract-html/>
<ref-html id="bib1.bib1"><label>Abbott et al.(2016)Abbott, Stechmann, and Neelin</label><mixed-citation>
      
Abbott, T. H., Stechmann, S. N., and Neelin, J. D.: Long temporal
autocorrelations in tropical precipitation data and spike train prototypes,
Geophys. Res. Lett., 43, 11–472, 2016.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib2"><label>Ahmed and Neelin(2019)</label><mixed-citation>
      
Ahmed, F. and Neelin, J. D.: Explaining scales and statistics of tropical
precipitation clusters with a stochastic model, J. Atmos.
Sci., 76, 3063–3087, 2019.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib3"><label>Albano et al.(2008)Albano, Giorno, Nobile, and Ricciardi</label><mixed-citation>
      
Albano, G., Giorno, V., Nobile, A. G., and Ricciardi, L. M.: Modeling
refractoriness for stochastically driven single neurons, Scientiae
Mathematicae Japonicae, 67, 173–190, 2008.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib4"><label>Bender and Orszag(2013)</label><mixed-citation>
      
Bender, C. M. and Orszag, S. A.: Advanced mathematical methods for scientists
and engineers I: Asymptotic methods and perturbation theory, Springer Science
&amp; Business Media,  ISBN 0387989315, 2013.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib5"><label>Bhat(1994)</label><mixed-citation>
      
Bhat, V. N.: Renewal approximations of the switched Poisson processes and their
applications to queueing systems, J. Oper. Res.
Soc., 45, 345–353, 1994.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib6"><label>Cowpertwait et al.(1996)Cowpertwait, O'Connell, Metcalfe, and
Mawdsley</label><mixed-citation>
      
Cowpertwait, P., O'Connell, P., Metcalfe, A., and Mawdsley, J.: Stochastic
point process modelling of rainfall. I. Single-site fitting and validation,
J. Hydrol., 175, 17–46, 1996.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib7"><label>Cox(1962)</label><mixed-citation>
      
Cox, D. R.: Renewal theory, Methuen, London, ISBN 978-0412205705, 1962.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib8"><label>Deluca and Corral(2014)</label><mixed-citation>
      
Deluca, A. and Corral, Á.: Scale invariant events and dry spells for medium-resolution local rain data, Nonlin. Processes Geophys., 21, 555–567, <a href="https://doi.org/10.5194/npg-21-555-2014" target="_blank">https://doi.org/10.5194/npg-21-555-2014</a>, 2014.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib9"><label>Deluca et al.(2015)Deluca, Moloney, and Corral</label><mixed-citation>
      
Deluca, A., Moloney, N. R., and Corral, Á.: Data-driven prediction of
thresholded time series of rainfall and self-organized criticality models,
Phys. Rev. E, 91, 052808, <a href="https://doi.org/10.1103/PhysRevE.91.052808" target="_blank">https://doi.org/10.1103/PhysRevE.91.052808</a>, 2015.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib10"><label>Evans and Majumdar(2011)</label><mixed-citation>
      
Evans, M. R. and Majumdar, S. N.: Diffusion with stochastic resetting, Phys.
Rev. Lett., 106, 160601, <a href="https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.106.160601" target="_blank">https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.106.160601</a>, 2011.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib11"><label>Evans et al.(2020)Evans, Majumdar, and Schehr</label><mixed-citation>
      
Evans, M. R., Majumdar, S. N., and Schehr, G.: Stochastic resetting and
applications, J. Phys. A., 53,
193001, <a href="https://doi.org/10.1088/1751-8121/ab7cfe" target="_blank">https://doi.org/10.1088/1751-8121/ab7cfe</a>, 2020.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib12"><label>Filippov(2013)</label><mixed-citation>
      
Filippov, A. F.: Differential equations with discontinuous righthand sides:
control systems, vol. 18, Springer Science &amp; Business Media,  ISBN 9789027726995, 2013.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib13"><label>Foufoula-Georgiou and Lettenmaier(1987)</label><mixed-citation>
      
Foufoula-Georgiou, E. and Lettenmaier, D. P.: A Markov renewal model for
rainfall occurrences, Water Resour. Res., 23, 875–884, 1987.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib14"><label>Frierson et al.(2004)Frierson, Majda, and Pauluis</label><mixed-citation>
      
Frierson, D. M. W., Majda, A. J., and Pauluis, O. M.: Large scale dynamics of
precipitation fronts in the tropical atmosphere: a novel relaxation limit,
Commun. Math. Sci., 2, 591–626, 2004.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib15"><label>Gardiner(2004)</label><mixed-citation>
      
Gardiner, C. W.: Handbook of stochastic methods: for physics, chemistry &amp; the
natural sciences, vol. 13 of Springer Series in Synergetics,
Springer–Verlag, Berlin, ISBN 9783540707127, 2004.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib16"><label>Green(1964)</label><mixed-citation>
      
Green, J. R.: A model for rainfall occurrence, J. Roy. Stat. Soc. Ser. B,
26, 345–353, 1964.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib17"><label>Hernandez-Duenas et al.(2019)Hernandez-Duenas, Smith, and
Stechmann</label><mixed-citation>
      
Hernandez-Duenas, G., Smith, L. M., and Stechmann, S. N.: Weak-and
strong-friction limits of parcel models: Comparisons and stochastic
convective initiation time, Q. J. Roy. Meteor. Soc., 145, 2272–2291,
<a href="https://doi.org/10.1002/qj.3557" target="_blank">https://doi.org/10.1002/qj.3557</a>, 2019.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib18"><label>Hoeffding(1994)</label><mixed-citation>
      
Hoeffding, W.: Probability inequalities for sums of bounded random variables,
in: The Collected Works of Wassily Hoeffding,  Springer, 409–426,  ISBN 9780387943107, 1994.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib19"><label>Holloway and Neelin(2010)</label><mixed-citation>
      
Holloway, C. E. and Neelin, J. D.: Temporal relations of column water vapor and
tropical precipitation, J. Atmos. Sci., 67, 1091–1105, 2010.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib20"><label>Hottovy and Stechmann(2015a)</label><mixed-citation>
      
Hottovy, S. A. and Stechmann, S. N.: A spatiotemporal stochastic model for
tropical precipitation and water vapor dynamics, J. Atmos. Sci., 72,
4721–4738, <a href="https://doi.org/10.1175/JAS-D-15-0119.1" target="_blank">https://doi.org/10.1175/JAS-D-15-0119.1</a>, 2015a.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib21"><label>Hottovy and Stechmann(2015b)</label><mixed-citation>
      
Hottovy, S. A. and Stechmann, S. N.: Threshold models for rainfall and
convection: Deterministic versus stochastic triggers, SIAM J. Appl. Math.,
75, 861–884, <a href="https://doi.org/10.1137/140980788" target="_blank">https://doi.org/10.1137/140980788</a>, 2015b.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib22"><label>Huang et al.(2022)Huang, Stechmann, and
Torchinsky</label><mixed-citation>
      
Huang, T., Stechmann, S. N., and Torchinsky, J. L.: Framework for idealized
climate simulations with spatiotemporal stochastic clouds and planetary-scale
circulations, Phys. Rev. Fluids, 7, 010502, 2022.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib23"><label>Jakubowski(1997)</label><mixed-citation>
      
Jakubowski, A.: A non-Skorohod topology on the Skorohod space,
Electron. J. Probab., 2, 1–21, <a href="https://doi.org/10.1214/EJP.v2-18" target="_blank">https://doi.org/10.1214/EJP.v2-18</a>, 1997.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib24"><label>Katz(1977)</label><mixed-citation>
      
Katz, R. W.: Precipitation as a chain-dependent process, J. Appl.
Meteorol., 16, 671–676, 1977.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib25"><label>Kelley(2017)</label><mixed-citation>
      
Kelley, J. L.: General topology, Courier Dover Publications, ISBN 9783540901259, 2017.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib26"><label>Khouider and Majda(2005)</label><mixed-citation>
      
Khouider, B. and Majda, A. J.: A non-oscillatory balanced scheme for an
idealized tropical climate model: Part I: Algorithm and validation,
Theor. Comp. Fluid Dyn., 19, 331–354, 2005.


    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib27"><label>Khouider et al.(2010)Khouider, Biello, and Majda</label><mixed-citation>
      
Khouider, B., Biello, J. A., and Majda, A. J.: A stochastic multicloud model
for tropical convection, Comm. Math. Sci., 8, 187–216, 2010.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib28"><label>Kurtz(1991)</label><mixed-citation>
      
Kurtz, T. G.: Random time changes and convergence in distribution under the
Meyer-Zheng conditions,  Ann. Probab., 19, 1010–1034, 1991.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib29"><label>Lejay and Pigato(2019)</label><mixed-citation>
      
Lejay, A. and Pigato, P.: A threshold model for local volatility: evidence of
leverage and mean reversion effects on historical data, Int. J.
Theor. Appl. Finan., 22, 1950017, <a href="https://doi.org/10.1142/S0219024919500171" target="_blank">https://doi.org/10.1142/S0219024919500171</a>, 2019.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib30"><label>Lin and Neelin(2000)</label><mixed-citation>
      
Lin, J. and Neelin, J.: Influence of a stochastic moist convective
parameterization on tropical climate variability, Geophys. Res. Lett., 27,
3691–3694, <a href="https://doi.org/10.1029/2000GL011964" target="_blank">https://doi.org/10.1029/2000GL011964</a>, 2000.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib31"><label>Mueller and Stechmann(2020)</label><mixed-citation>
      
Mueller, E. A. and Stechmann, S. N.: Shallow-cloud impact on climate and
uncertainty: A simple stochastic model, Mathematics of Climate and Weather
Forecasting, 6, 16–37, 2020.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib32"><label>Neelin et al.(2017)Neelin, Sahany, Stechmann, and Bernstein</label><mixed-citation>
      
Neelin, J. D., Sahany, S., Stechmann, S. N., and Bernstein, D. N.: Global
warming precipitation accumulation increases above the current-c limate
cutoff scale, P. Natl. Acad. Sci. USA, 114, 1258–1263,
<a href="https://doi.org/10.1073/pnas.1615333114" target="_blank">https://doi.org/10.1073/pnas.1615333114</a>, 2017.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib33"><label>Peters and Neelin(2006)</label><mixed-citation>
      
Peters, O. and Neelin, J. D.: Critical phenomena in atmospheric precipitation,
Nat. Phys., 2, 393–396, 2006.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib34"><label>Peters et al.(2010)Peters, Deluca, Corral, Neelin, and
Holloway</label><mixed-citation>
      
Peters, O., Deluca, A., Corral, A., Neelin, J. D., and Holloway, C. E.:
Universality of rain event size distributions, J. Stat. Mech., 2010,
P11030, <a href="https://doi.org/10.1088/1742-5468/2010/11/P11030" target="_blank">https://doi.org/10.1088/1742-5468/2010/11/P11030</a>, 2010.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib35"><label>Richardson(1981)</label><mixed-citation>
      
Richardson, C. W.: Stochastic simulation of daily precipitation, temperature,
and solar radiation, Water Resour. Res., 17, 182–190, 1981.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib36"><label>Rodriguez-Iturbe et al.(1988)Rodriguez-Iturbe, Cox, and
Isham</label><mixed-citation>
      
Rodriguez-Iturbe, I., Cox, D. R., and Isham, V.: A point process model for
rainfall: further developments, P. Roy. Soc. Lond.
A Mat., 417, 283–298, 1988.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib37"><label>Sacerdote and Giraudo(2013)</label><mixed-citation>
      
Sacerdote, L. and Giraudo, M. T.: Stochastic integrate and fire models: a
review on mathematical methods and their applications, in: Stochastic
biomathematical models, Springer,  99–148, <a href="https://doi.org/10.1007/978-3-642-32157-3_5" target="_blank">https://doi.org/10.1007/978-3-642-32157-3_5</a>, 2013.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib38"><label>Simpson and Kuske(2012)</label><mixed-citation>
      
Simpson, D. J. W. and Kuske, R.: Stochastically perturbed sliding motion in piecewise-smooth systems, arXiv [preprint], <a href="https://doi.org/10.48550/arXiv.1204.5792" target="_blank">https://doi.org/10.48550/arXiv.1204.5792</a>, 2012.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib39"><label>Smith and Karr(1983)</label><mixed-citation>
      
Smith, J. A. and Karr, A. F.: A point process model of summer season rainfall
occurrences, Water Resour. Res., 19, 95–103, 1983.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib40"><label>Stechmann and Hottovy(2016)</label><mixed-citation>
      
Stechmann, S. N. and Hottovy, S.: Cloud regimes as phase transitions,
Geophys. Res. Lett., 43, 6579–6587, 2016.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib41"><label>Stechmann and Neelin(2011)</label><mixed-citation>
      
Stechmann, S. N. and Neelin, J. D.: A stochastic model for the transition to
strong convection, J. Atmos. Sci., 68, 2955–2970, 2011.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib42"><label>Stechmann and Neelin(2014)</label><mixed-citation>
      
Stechmann, S. N. and Neelin, J. D.: First-passage-time prototypes for
precipitation statistics, J. Atmos. Sci., 71, 3269–3291, 2014.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib43"><label>Whitt(1982)</label><mixed-citation>
      
Whitt, W.: Approximating a point process by a renewal process, I: Two basic
methods, Oper. Res., 30, 125–147, 1982.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib44"><label>Wilks and Wilby(1999)</label><mixed-citation>
      
Wilks, D. S. and Wilby, R. L.: The weather generation game: a review of
stochastic weather models, Prog. Phys. Geog., 23, 329–357,
1999.

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