<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="2.3" xml:lang="EN" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Earth Sci.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Earth Science</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Earth Sci.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2296-6463</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">1062465</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/feart.2022.1062465</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Earth Science</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Baroclinic effects on the distribution of tropical cyclone eye subsidence</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">Schubert et al.</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.3389/feart.2022.1062465">10.3389/feart.2022.1062465</ext-link>
</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Schubert</surname>
<given-names>Wayne H.</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name>
<surname>Taft</surname>
<given-names>Richard K.</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1993127/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Slocum</surname>
<given-names>Christopher J.</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff2">
<sup>2</sup>
</xref>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1">
<sup>1</sup>
<institution>Department of Atmospheric Science</institution>, <institution>Colorado State University</institution>, <addr-line>Fort Collins</addr-line>, <addr-line>CO</addr-line>, <country>United States</country>
</aff>
<aff id="aff2">
<sup>2</sup>
<institution>NOAA Center for Satellite Applications and Research</institution>, <institution>Colorado State University</institution>, <addr-line>Fort Collins</addr-line>, <addr-line>CO</addr-line>, <country>United States</country>
</aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Edited by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1006547/overview">Eric Hendricks</ext-link>, National Center for Atmospheric Research (UCAR), United States</p>
</fn>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Reviewed by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/275185/overview">Richard Rotunno</ext-link>, University Corporation for Atmospheric Research (UCAR), United States</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1156420/overview">Nannan Qin</ext-link>, Fudan University, China</p>
</fn>
<corresp id="c001">&#x2a;Correspondence: Richard K. Taft, <email>rick.taft@colostate.edu</email>
</corresp>
<fn fn-type="other">
<p>This article was submitted to Atmospheric Science, a section of the journal Frontiers in Earth Science</p>
</fn>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>19</day>
<month>12</month>
<year>2022</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2022</year>
</pub-date>
<volume>10</volume>
<elocation-id>1062465</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>05</day>
<month>10</month>
<year>2022</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>22</day>
<month>11</month>
<year>2022</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#xa9; 2022 Schubert, Taft and Slocum.</copyright-statement>
<copyright-year>2022</copyright-year>
<copyright-holder>Schubert, Taft and Slocum</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p>
</license>
</permissions>
<abstract>
<p>Solutions of the secondary (transverse) circulation equation for an axisymmetric, gradient balanced vortex are used to better understand the distribution of subsidence in the eye of a tropical cyclone. This secondary circulation equation is derived using both the physical radius coordinate <italic>r</italic> and the potential radius coordinate <italic>R</italic>. In the <italic>R</italic>-coordinate version, baroclinic effects are implicit in the coordinate transformation and are recovered in the final step of transforming the solution for the streamfunction &#x3a8; back from <italic>R</italic>-space to <italic>r</italic>-space. Two types of elliptic problems for &#x3a8; are formulated: 1) the full secondary circulation problem, which is formulated on 0 &#x2264; <italic>R</italic> &#x3c; <italic>&#x221e;</italic>, with the diabatic forcing due to eyewall convection appearing on the right-hand side of the elliptic equation; 2) the restricted secondary circulation problem, which is formulated on 0 &#x2264; <italic>R</italic> &#x2264; <italic>R</italic>
<sub>ew</sub>, where the constant <italic>R</italic>
<sub>ew</sub> is the potential radius of the inside edge of the eyewall, with no diabatic forcing but with the streamfunction specified along <italic>R</italic> &#x3d; <italic>R</italic>
<sub>ew</sub>. The restricted secondary circulation problem can be solved semi-analytically for the case of vertically sheared, Rankine vortex cores. The solutions identify the conditions under which large values of radial and vertical advection of <italic>&#x3b8;</italic> are located in the lower troposphere at the outer edge of the eye, thereby producing a warm-ring thermal structure.</p>
</abstract>
<kwd-group>
<kwd>tropical cyclone</kwd>
<kwd>eye subsidence</kwd>
<kwd>baroclinic effects</kwd>
<kwd>secondary circulation</kwd>
<kwd>gradient balanced vortex</kwd>
</kwd-group>
<contract-sponsor id="cn001">Colorado State University<named-content content-type="fundref-id">10.13039/100007235</named-content>
</contract-sponsor>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1">
<title>1 Introduction</title>
<p>The concept of hub clouds and eye moats comes from aircraft observations made by <xref ref-type="bibr" rid="B27">Simpson and Starrett (1955)</xref>. <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref> is adapted from their schematic diagram of Hurricane Edna (9&#x2013;10 September 1954). Of particular interest is the hub cloud near the circulation center and the clear moat at the edge of the eye. In later years, intense storms like Edna have been found that also possess a warm-ring thermal structure in the lower troposphere&#x2014;where the temperature surrounding the center of a tropical cyclone is greater than the center, which is in contrast to a warm-core thermal structure where temperature decreases radially outward from the center. A good example is Hurricane Isabel on 13 September 2003, when it had tangential winds in excess of 70&#xa0;m&#x2009;s<sup>&#x2212;1</sup>. <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref> shows NOAA WP-3D aircraft data for this storm. The two panels show tangential wind (black curves), temperature (red curves), and dewpoint temperature (blue curves) for a 2.1&#xa0;km altitude radial leg (lower panel) and a 3.7&#xa0;km altitude radial leg (upper panel). A warm-ring thermal structure occurs at both levels, with the warmest and driest air at 25&#xa0;km radius, which is at the outer edge of the eye. In temperature, the warm ring is approximately 4.2&#xb0;C warmer than the vortex center at 3.7&#xa0;km and 5.0&#xb0;C warmer than the vortex center at 2.1&#xa0;km. As can be seen from the dewpoint depressions, the warm-ring region near 25&#xa0;km radius is associated with dry, subsiding air at the outer edge of the eye. Enhanced subsidence at the outer edge of the eye tends to produce an eye-moat. Note that the center of the eye is saturated at <italic>z</italic> &#x3d; 2.1&#xa0;km but is not saturated at <italic>z</italic> &#x3d; 3.7 km, which is consistent with the top of the hub cloud being located at <italic>z</italic> &#x2248; 3&#xa0;km. The tangential wind profiles reveal a vorticity structure more complicated than the simple structure that will be assumed in <xref ref-type="sec" rid="s3">Section 3</xref>. This is evident from the kinks that occur near <italic>r</italic> &#x2248; 20&#xa0;km for <italic>z</italic> &#x3d; 2.1&#xa0;km and near <italic>r</italic> &#x2248; 27&#xa0;km for <italic>z</italic> &#x3d; 3.7&#xa0;km. In other words, Isabel had a somewhat &#x201c;hollow&#x201d; vorticity structure compared to the radially uniform structure that is assumed in <xref ref-type="sec" rid="s3">Section 3</xref>.</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>FIGURE 1</label>
<caption>
<p>Schematic diagram of the eye of Hurricane Edna, 9&#x2013;10 September 1954, as adapted from <xref ref-type="bibr" rid="B27">Simpson and Starrett (1955)</xref>. At this time, Hurricane Edna had a steep corrugated eyewall on its north side and a sloping <inline-formula id="inf1">
<mml:math id="m1">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mn>45</mml:mn>
<mml:mo>&#xb0;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> eyewall on its south side. Such variations in eyewall slope are often interpreted as an effect of environmental vertical shear (see <xref ref-type="bibr" rid="B7">Hazelton and Hart, 2013</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B8">Hazelton et al., 2015</xref>; and the recent review by <xref ref-type="bibr" rid="B20">Rogers, 2021</xref>). The stratocumulus &#x201c;hub cloud&#x201d; near the circulation center and the moat near the edge of the eye indicate that in strong hurricanes the subsidence is not uniform across the eye, but rather is concentrated near the edge of the eye. Enhanced subsidence in the lower troposphere near the edge of the eye leads to a lower-tropospheric warm-ring thermal structure, as shown in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref> for Hurricane Isabel (2003). A photograph of Isabel&#x2019;s hub cloud is shown in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref>, which indicates that the hub clouds in Isabel and Edna were of approximately the same height, although Isabel&#x2019;s eye diameter was somewhat larger than that of Edna.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="feart-10-1062465-g001.tif"/>
</fig>
<fig id="F2" position="float">
<label>FIGURE 2</label>
<caption>
<p>Radial profiles of NOAA WP-3D aircraft data for Hurricane Isabel on 13 September 2003. The panel <bold>(B)</bold> is for the <italic>z</italic> &#x3d; 2.1&#xa0;km flight leg (1922 to 1931 UTC) and the panel <bold>(A)</bold> for the <italic>z</italic> &#x3d; 3.7&#xa0;km flight leg (1948 to 1956 UTC). Black curves are for tangential wind, red curves for temperature, and blue curves for dewpoint temperature. Adapted from <xref ref-type="bibr" rid="B26">Schubert et al. (2007)</xref>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="feart-10-1062465-g002.tif"/>
</fig>
<p>The photograph shown here as <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref> was taken from the WP-3D aircraft near the edge of the eye, looking towards the hub cloud at the center of the eye. The top of the hub cloud is near 3&#xa0;km altitude, so the radial leg in the upper panel of <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref> is just above the top of the hub cloud, while the radial leg in the lower panel is just below the top of the hub cloud, as is evident in the dewpoint depressions. Since the first internal mode Rossby length in the eye of Isabel at this time is on the order of 10&#x2013;15&#xa0;km, the eye diameter (<inline-formula id="inf2">
<mml:math id="m2">
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>60</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula> km) is approximately 5 Rossby lengths, allowing for the rare opportunity to view balanced dynamical structure over several Rossby lengths in a single photograph. For comprehensive discussions of Hurricane Isabel, see <xref ref-type="bibr" rid="B16">Montgomery et al. (2006)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B1">Aberson et al. (2006)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B3">Bell and Montgomery (2008)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B18">Nolan et al. (2009b</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="B17">a)</xref>, and <xref ref-type="bibr" rid="B28">Stern et al. (2016)</xref>. The eye-moat and mesovortex structure of Hurricane Isabel on 12 September 2003 is discussed by <xref ref-type="bibr" rid="B12">Kossin and Schubert (2004)</xref> and <xref ref-type="bibr" rid="B21">Rozoff et al. (2006)</xref>.</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>FIGURE 3</label>
<caption>
<p>Photograph of the eye of Hurricane Isabel on 13 September 2003. The 3&#xa0;km tall hub cloud at the center of the eye is surrounded by a moat of clear air or shallow stratocumulus. Beyond the hub cloud and on the opposite side of the eye (at a distance of <inline-formula id="inf3">
<mml:math id="m3">
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>60</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula> km) lies eyewall convection extending up to 12&#x2013;14&#xa0;km. Photo courtesy of Sim Aberson.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="feart-10-1062465-g003.tif"/>
</fig>
<p>Another common feature of intense tropical cyclones is the &#x201c;stadium effect,&#x201d; caused by the outward slope of the eyewall. An example of this effect, taken from the CloudSat data archive, is shown in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref>. This vertical cross-section was obtained when CloudSat&#x2019;s 94&#xa0;GHz Cloud Profiling Radar made a fortuitous pass directly over the eye of Typhoon Choi-Wan on 15 September 2009. In the top panel of <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref>, the vertical scale is stretched to highlight the vertical structure of the radar reflectivity. In the bottom panel, only the region inside a radius of 50&#xa0;km is shown, so the aspect ratio is one-to-one, which clearly reveals the approximate 45&#xb0; baroclinic tilt of the eyewall updraft. The incorporation of such baroclinic tilt is an important aspect of the theoretical analysis presented here in <xref ref-type="sec" rid="s2">Sections 2</xref> and <xref ref-type="sec" rid="s3">3</xref>.</p>
<fig id="F4" position="float">
<label>FIGURE 4</label>
<caption>
<p>At 0353 UTC on 15 September 2009, CloudSat&#x2019;s 94&#xa0;GHz Cloud Profiling Radar passed directly over Typhoon Choi-Wan. This figure shows a north-south vertical cross-section of radar reflectivity for the 65&#xa0;m&#x2009;s<sup>&#x2212;1</sup> storm (north is to the right) when it was located approximately 450&#xa0;km north of Guam. In the panel <bold>(A)</bold>, the horizontal scale is compressed to exaggerate the vertical structure. In the panel <bold>(B)</bold>, only the region inside a radius of 50&#xa0;km is shown (which excludes the secondary eyewall), but the aspect ratio is one-to-one, thus showing the sloping eyewall (or &#x201c;stadium effect&#x201d;) as would be seen by an observer on a research aircraft. Reflectivity values less than &#x2212; 20&#xa0;dBZ have been removed for clarity. This figure has been adapted from <xref ref-type="bibr" rid="B25">Schubert and McNoldy (2010)</xref> and is based on radar data made available through the NASA CloudSat Project.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="feart-10-1062465-g004.tif"/>
</fig>
<p>An interesting feature of nonhydrostatic, full-physics, tropical cyclone models is that they can produce intense storms with a temperature field that has a warm-core structure at upper levels, but a warm-ring structure at lower levels. The first example of this was presented by <xref ref-type="bibr" rid="B31">Yamasaki (1983)</xref>, whose Figure 10A is reproduced here as <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref>. The upper tropospheric warm-core anomaly is 17&#xb0;C and is centered at a height of 14&#xa0;km. A warm-ring thermal structure is found between heights of 2 and 8&#xa0;km, and at a radius of approximately 7&#x2013;8&#xa0;km. Much of the present paper is devoted to a balanced dynamical interpretation of the production of such an overall thermal structure.</p>
<fig id="F5" position="float">
<label>FIGURE 5</label>
<caption>
<p>Vertical cross-section of the temperature anomaly (&#xb0;C) from the nonhydrostatic, full-physics model simulation of an intense tropical cyclone by <xref ref-type="bibr" rid="B31">Yamasaki (1983)</xref>. A warm-core thermal structure (17&#xb0;C anomaly) is found at heights near 14&#xa0;km, while a warm-ring thermal structure is found near <italic>r</italic> &#x2248; 7&#x2013;8&#xa0;km between heights of 2 and 8&#xa0;km. As shown in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e35">35</xref> the warm-ring thermal structure is associated with absolute angular momentum surfaces that are tilted in opposite directions on the two sides of the warm ring. The upper troposphere/lower stratosphere cold anomaly produced by this model is similar to that observed by <xref ref-type="bibr" rid="B9">Johnson and Kriete (1982)</xref> for tropical mesoscale systems using radiosonde data (their Figure 3) and by <xref ref-type="bibr" rid="B19">Rivoire et al. (2016)</xref> using COSMIC GPS radio occultation data. Adapted from Figure 10A of <xref ref-type="bibr" rid="B31">Yamasaki (1983)</xref>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="feart-10-1062465-g005.tif"/>
</fig>
<p>For the study of eye subsidence, one can envision using (at least) four different sets of independent variables in space: radius and log-pressure, (<italic>r</italic>, <italic>z</italic>); potential radius and log-pressure, (<italic>R</italic>, <italic>Z</italic>); radius and potential temperature, (<italic>r</italic>, <italic>&#x3b8;</italic>); or potential radius and potential temperature, (<italic>R</italic>, &#x398;). Note that <italic>Z</italic> &#x3d; <italic>z</italic> and &#x398; &#x3d; <italic>&#x3b8;</italic>, but the upper case symbols <italic>Z</italic> and &#x398; are used because (<italic>&#x2202;</italic>/<italic>&#x2202;Z</italic>) &#x2260; (<italic>&#x2202;</italic>/<italic>&#x2202;z</italic>) and (<italic>&#x2202;</italic>/<italic>&#x2202;</italic>&#x398;) &#x2260; (<italic>&#x2202;</italic>/<italic>&#x2202;&#x3b8;</italic>). Concerning the use of (<italic>R</italic>, &#x398;)-coordinates, since the flow in the eye is inviscid and adiabatic, both <italic>R</italic> and &#x398; are Lagrangian coordinates, which means that a given parcel in the eye stays on its original <italic>R</italic>-surface and its original &#x398;-surface. In other words, when the mathematical analysis is performed in (<italic>R</italic>, &#x398;)-space, there is no need for a transverse circulation equation, and the dynamics is more easily understood in the framework of PV and its invertibility principle, as discussed in a theoretical context by <xref ref-type="bibr" rid="B22">Schubert and Alworth (1987)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B15">M&#xf6;ller and Smith (1994)</xref>, and <xref ref-type="bibr" rid="B23">Schubert (2018)</xref>, and in an observational context by <xref ref-type="bibr" rid="B14">Martinez et al. (2019)</xref>. This is in sharp contrast to the use of (<italic>r</italic>, <italic>z</italic>)-coordinates, where neither <italic>r</italic> nor <italic>z</italic> is a Lagrangian coordinate. In this paper, we have analyzed the transverse circulation problem in (<italic>R</italic>, <italic>Z</italic>)-coordinates, a setting in which one coordinate is Lagrangian and the other is not. There is a duality between the use of (<italic>R</italic>, <italic>Z</italic>)-coordinates and the use of (<italic>r</italic>, <italic>&#x3b8;</italic>)-coordinates, since in the (<italic>r</italic>, <italic>&#x3b8;</italic>)-formulation, one coordinate is Lagrangian (recall that <inline-formula id="inf4">
<mml:math id="m4">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula> in the eye) and the other is not. Thus, the essential results obtained in <xref ref-type="sec" rid="s3">Section 3</xref> using the (<italic>R</italic>, <italic>Z</italic>)-formulation could also be obtained using the (<italic>r</italic>, <italic>&#x3b8;</italic>)-formulation. However, some details involved in the two formulations are different. For example, in the (<italic>r</italic>, <italic>&#x3b8;</italic>)-formulation, a convenient vertically sheared Rankine core has solid-body rotation on each isentropic surface rather than on each isobaric surface. Also, in the elliptic problem (<xref ref-type="disp-formula" rid="e16">Eq. 16</xref>), the outer boundary is the coordinate surface <italic>R</italic> &#x3d; <italic>R</italic>
<sub>ew</sub>, while in the (<italic>r</italic>, <italic>&#x3b8;</italic>)-formulation a sloping eyewall outer boundary would not be an <italic>r</italic>-surface, thereby producing an additional difficulty in the solution of the elliptic problem. Thus, while the difficulties of including baroclinic effects in the (<italic>r</italic>, <italic>z</italic>)-formulation can be overcome by using either the (<italic>R</italic>, <italic>Z</italic>)-formulation or the (<italic>r</italic>, <italic>&#x3b8;</italic>)-formulation, the analysis presented in this paper is indicative of our slight preference for the (<italic>R</italic>, <italic>Z</italic>)-formulation.</p>
<p>The paper is organized as follows. <xref ref-type="sec" rid="s2">Section 2</xref> first presents the balanced vortex equations in the (<italic>r</italic>, <italic>z</italic>)-formulation, and then transforms to the (<italic>R</italic>, <italic>Z</italic>)-formulation. For certain baroclinic vortices, the (<italic>R</italic>, <italic>Z</italic>) formulation of the transverse circulation equation can be solved semi-analytically using a vertical transform approach (<xref ref-type="sec" rid="s3">Section 3</xref>). These semi-analytical solutions are used to generalize the barotropic vortex results of <xref ref-type="bibr" rid="B26">Schubert et al. (2007)</xref> and to better understand the role of baroclinicity in the distribution of subsidence in the eye of an intense tropical cyclone.</p>
</sec>
<sec id="s2">
<title>2 Gradient balance theory</title>
<p>For simplicity, the analysis presented here considers an axisymmetric, balanced flow in the inviscid fluid that lies above the frictional boundary layer. To simplify the primitive equation model to a balanced vortex model, we assume that the azimuthal flow remains in a gradient balanced state, i.e., we discard the exact radial equation of motion and replace it with the gradient balance condition given below as the first entry in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">1</xref>. A sufficient condition for the validity of this assumption is that the diabatic forcing effects have slow enough time scales that significant, azimuthal mean inertia-gravity waves are not excited. We shall describe this inviscid flow using the log-pressure vertical coordinate <italic>z</italic> &#x3d; <italic>H</italic>&#x2009;ln(<italic>p</italic>
<sub>0</sub>/<italic>p</italic>), where <italic>H</italic> &#x3d; <italic>R</italic>
<sub>d</sub>
<italic>T</italic>
<sub>0</sub>/<italic>g</italic> is the constant scale height, <italic>p</italic>
<sub>0</sub> and <italic>T</italic>
<sub>0</sub> are constant reference values of pressure and temperature, <italic>R</italic>
<sub>d</sub> is the gas constant for dry air, and <italic>g</italic> is the acceleration of gravity. Under the balance condition, the governing equations are<disp-formula id="e1">
<mml:math id="m5">
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(1)</label>
</disp-formula>where <italic>&#x3ba;</italic> &#x3d; <italic>R</italic>
<sub>d</sub>/<italic>c</italic>
<sub>p</sub>, <italic>c</italic>
<sub>p</sub> is the specific heat at constant pressure, <italic>f</italic> the constant Coriolis parameter, <italic>&#x3c1;</italic>(<italic>z</italic>) &#x3d; <italic>&#x3c1;</italic>
<sub>0</sub>
<italic>e</italic>
<sup>&#x2212;<italic>z</italic>/<italic>H</italic>
</sup> the pseudo-density in the log-pressure coordinate, <italic>&#x3c1;</italic>
<sub>0</sub> &#x3d; <italic>p</italic>
<sub>0</sub>/(<italic>R</italic>
<sub>d</sub>
<italic>T</italic>
<sub>0</sub>) the constant reference density, <italic>&#x3d5;</italic> the geopotential, <italic>u</italic> the radial velocity component, <italic>v</italic> the azimuthal velocity component, <italic>w</italic> the log-pressure vertical velocity, and <italic>Q</italic> the diabatic heating. The potential vorticity (PV) equation, derived from Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">1</xref>, is<disp-formula id="e2">
<mml:math id="m6">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(2)</label>
</disp-formula>where <italic>D</italic>/<italic>Dt</italic> &#x3d; (<italic>&#x2202;</italic>/<italic>&#x2202;t</italic>) &#x2b; <italic>u</italic>(<italic>&#x2202;</italic>/<italic>&#x2202;r</italic>) &#x2b; <italic>w</italic>(<italic>&#x2202;</italic>/<italic>&#x2202;z</italic>) is the material derivative,<disp-formula id="e3">
<mml:math id="m7">
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:math>
<label>(3)</label>
</disp-formula>is the potential vorticity, <inline-formula id="inf5">
<mml:math id="m8">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> is the potential temperature, <inline-formula id="inf6">
<mml:math id="m9">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>, and the potential radius <italic>R</italic> is defined in terms of the absolute angular momentum by <inline-formula id="inf7">
<mml:math id="m10">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>Using the mass conservation principle, we define a streamfunction <italic>&#x3c8;</italic> such that<disp-formula id="e4">
<mml:math id="m11">
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mtext>and</mml:mtext>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(4)</label>
</disp-formula>For convenience, we shall refer to <italic>&#x3c8;</italic> as the &#x201c;streamfunction,&#x201d; although it is worth noting that it is actually <italic>r&#x3c8;</italic>, rather than <italic>&#x3c8;</italic>, that is the &#x201c;streamfunction&#x201d; for the transverse mass flux. This flexibility with the factor <italic>r</italic> proves convenient for the analytical solutions presented in <xref ref-type="sec" rid="s3">Section 3</xref>. Using the gradient balance relation in the tangential wind equation, and using the hydrostatic relation in the thermodynamic equation, we can write<disp-formula id="e5">
<mml:math id="m12">
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(5)</label>
</disp-formula>where <italic>&#x3d5;</italic>
<sub>
<italic>t</italic>
</sub> &#x3d; (<italic>&#x2202;&#x3d5;</italic>/<italic>&#x2202;t</italic>) is the geopotential tendency, and where the static stability <italic>A</italic>, the baroclinicity <italic>B</italic>, and the inertial stability <italic>C</italic> are given by<disp-formula id="e6">
<mml:math id="m13">
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(6)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Eliminating <italic>&#x3d5;</italic>
<sub>
<italic>t</italic>
</sub> between the two equations in <xref ref-type="disp-formula" rid="e5">Eq. 5</xref>, then expressing <italic>u</italic> and <italic>w</italic> in terms of <italic>&#x3c8;</italic> <italic>via</italic> <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">Eq. 4</xref>, and requiring that <italic>w</italic> &#x3d; 0&#xa0;at the top and bottom boundaries, we obtain the following transverse circulation problem (<xref ref-type="bibr" rid="B4">Eliassen, 1951</xref>).<disp-formula id="e7">
<mml:math id="m14">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mtext mathvariant="bold">Secondary Circulation Problem on the Full</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>-</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">Domain:</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mtext>for</mml:mtext>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mtext>and</mml:mtext>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>with</mml:mtext>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mfenced open="{" close="">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="cases">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mtext>as</mml:mtext>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(7)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Note that <inline-formula id="inf8">
<mml:math id="m15">
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>, so that this problem is elliptic if (<italic>f</italic> &#x2b; 2<italic>v</italic>/<italic>r</italic>)<italic>P</italic> &#x3e; 0, which is typically the case for the tropical cyclone core region studied in this paper.</p>
<p>According to Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">7</xref>, subsidence in the hurricane eye at a particular time is forced by the (<italic>&#x2202;Q</italic>/<italic>&#x2202;r</italic>) term and is shaped by the three spatially varying coefficients <italic>A</italic>, <italic>B</italic>, <italic>C</italic> at that time. Analytical progress in understanding eye subsidence can more easily be made if we obtain a transformed version of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">7</xref> that contains only two spatially varying coefficients and does not contain any second order mixed derivative terms. The balanced vortex model and the associated transverse circulation equation take simple forms when the original independent variables (<italic>r</italic>, <italic>z</italic>, <italic>t</italic>) are replaced by the new independent variables (<italic>R</italic>, <italic>Z</italic>, <italic>&#x3c4;</italic>), where <italic>Z</italic> &#x3d; <italic>z</italic> and <italic>&#x3c4;</italic> &#x3d; <italic>t</italic> but <italic>&#x2202;</italic>/<italic>&#x2202;Z</italic> and <italic>&#x2202;</italic>/<italic>&#x2202;&#x3c4;</italic> imply fixed potential radius <italic>R</italic>. This transformation (<xref ref-type="bibr" rid="B24">Schubert and Hack, 1983</xref>) makes use of<disp-formula id="e8">
<mml:math id="m16">
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(8)</label>
</disp-formula>from which it follows that<disp-formula id="e9">
<mml:math id="m17">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(9)</label>
</disp-formula>Defining <italic>U</italic>, <italic>V</italic>, <italic>W</italic>, and &#x3a6; by<disp-formula id="e10">
<mml:math id="m18">
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mi>U</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(10)</label>
</disp-formula>where <italic>&#x3b6;</italic> &#x3d; <italic>r</italic>
<sup>&#x2212;1</sup>
<italic>&#x2202;</italic>(<italic>rv</italic>)/<italic>&#x2202;r</italic> is the relative vorticity, the governing equations (<xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Eq. 1</xref>) transform to (see Appendix A for further details)<disp-formula id="e11">
<mml:math id="m19">
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>U</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(11)</label>
</disp-formula>where the effective inertial frequency <inline-formula id="inf9">
<mml:math id="m20">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the effective buoyancy frequency <italic>N</italic> are defined by<disp-formula id="e12">
<mml:math id="m21">
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(12)</label>
</disp-formula>It follows that <italic>r</italic> and <italic>R</italic> are related by <inline-formula id="inf10">
<mml:math id="m22">
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> and that <italic>rv</italic> &#x3d; <italic>RV</italic>. Note that the system in <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">Eq. 11</xref> is formally simpler than the system in <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Eq. 1</xref>, even though no additional approximations have been introduced. Also note that the effective buoyancy frequency <italic>N</italic> can differ greatly from the usual buoyancy frequency in the cyclone core, but they are essentially the same in far-field regions where &#x7c;<italic>&#x3b6;</italic>&#x7c; &#x226A; <italic>f</italic> and the angular momentum surfaces are nearly vertical, so that (<italic>&#x2202;T</italic>/<italic>&#x2202;Z</italic>) &#x2248; (<italic>&#x2202;T</italic>/<italic>&#x2202;z</italic>) and (<italic>&#x2202;&#x3b8;</italic>/<italic>&#x2202;Z</italic>) &#x2248; (<italic>&#x2202;&#x3b8;</italic>/<italic>&#x2202;z</italic>).</p>
<p>Using the fourth entry in <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">Eq. 11</xref>, we define the streamfunction &#x3a8; such that<disp-formula id="e13">
<mml:math id="m23">
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mtext>and</mml:mtext>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(13)</label>
</disp-formula>From <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">Eqs. 4</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e13">13</xref>, and the transformation relations in <xref ref-type="disp-formula" rid="e8">Eq. 8</xref>, it can be shown that <italic>R</italic>&#x3a8; and <italic>r&#x3c8;</italic> differ only by a constant, which, without loss of generality, we can take to be zero, so that <italic>R</italic>&#x3a8; &#x3d; <italic>r&#x3c8;</italic>. Using the gradient balance relation in the tangential wind equation, and using the hydrostatic relation in the thermodynamic equation, we can write<disp-formula id="e14">
<mml:math id="m24">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mtext>and</mml:mtext>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(14)</label>
</disp-formula>where &#x3a6;<sub>
<italic>&#x3c4;</italic>
</sub> &#x3d; (<italic>&#x2202;</italic>&#x3a6;/<italic>&#x2202;&#x3c4;</italic>) &#x3d; (<italic>&#x2202;&#x3d5;</italic>/<italic>&#x2202;t</italic>) is the &#x201c;geopotential tendency.&#x201d; Eliminating &#x3a6;<sub>
<italic>&#x3c4;</italic>
</sub> between these two equations, and then expressing <italic>U</italic> and <italic>W</italic> in terms of &#x3a8; <italic>via</italic> Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e13">13</xref>, we obtain the following transverse circulation problem.<disp-formula id="e15">
<mml:math id="m25">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mtext mathvariant="bold">Secondary Circulation Problem on the Full</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>-</mml:mo>
<mml:mtext mathvariant="bold">Domain:</mml:mtext>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mtext>for</mml:mtext>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mtext>and</mml:mtext>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>with</mml:mtext>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mfenced open="{" close="">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="cases">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mtext>as</mml:mtext>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(15)</label>
</disp-formula>The boundary conditions on &#x3a8; come from the requirement that the log-pressure vertical velocity vanishes at the bottom and top boundaries, that the radial component of the secondary circulation vanishes at <italic>R</italic> &#x3d; 0, and that the secondary circulation goes to zero as <italic>R</italic> &#x2192; <italic>&#x221e;</italic>. To summarize, the secondary circulation in the entire region is obtained by solving the elliptic problem in <xref ref-type="disp-formula" rid="e15">Eq. 15</xref> for specified <italic>N</italic>(<italic>R</italic>, <italic>Z</italic>), <inline-formula id="inf11">
<mml:math id="m26">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <italic>Q</italic>(<italic>R</italic>, <italic>Z</italic>). Note that Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e15">15</xref> is formally simpler than Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">7</xref> since it does not contain baroclinic, second order cross derivative terms. Baroclinic effects are implicit in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e15">15</xref> and are recovered when the solution &#x3a8;(<italic>R</italic>, <italic>Z</italic>) is transformed back to the physical space form <italic>&#x3c8;</italic>(<italic>r</italic>, <italic>z</italic>) using <italic>&#x3c8;</italic> &#x3d; (<italic>R</italic>/<italic>r</italic>)&#x3a8;.</p>
<p>We can understand several aspects of eye subsidence by solution of a restricted version of the full elliptic problem in <xref ref-type="disp-formula" rid="e15">Eq. 15</xref>. In this simplified problem, we restrict our attention to the eye region 0 &#x2264; <italic>R</italic> &#x2264; <italic>R</italic>
<sub>ew</sub>, where the eyewall potential radius <italic>R</italic>
<sub>ew</sub> (i.e., the inner edge of the eyewall) is assumed to be a constant. In the eye region, we assume that <italic>Q</italic> &#x3d; 0, so that the elliptic problem in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e15">15</xref> simplifies as follows.<disp-formula id="e16">
<mml:math id="m27">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mtext mathvariant="bold">Secondary Circulation Problem on the Restricted</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>-</mml:mo>
<mml:mtext mathvariant="bold">Domain:</mml:mtext>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mtext>for</mml:mtext>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ew</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mtext>and</mml:mtext>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>with</mml:mtext>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mfenced open="{" close="">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="cases">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ew</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ew</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(16)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>To summarize, the secondary circulation in the eye is obtained by solving the homogeneous, elliptic problem in <xref ref-type="disp-formula" rid="e16">Eq. 16</xref> with specified <italic>N</italic>(<italic>R</italic>, <italic>Z</italic>), <inline-formula id="inf12">
<mml:math id="m28">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and &#x3a8;<sub>ew</sub>(<italic>Z</italic>). Note that all the dynamics in the region <italic>R</italic>
<sub>ew</sub> &#x3c; <italic>R</italic> &#x3c; <italic>&#x221e;</italic>, described explicitly in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e15">15</xref>, has been replaced in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e16">16</xref> by the specification of &#x3a8;(<italic>R</italic>, <italic>Z</italic>) at <italic>R</italic> &#x3d; <italic>R</italic>
<sub>ew</sub>. Because the elliptic problem in <xref ref-type="disp-formula" rid="e16">Eq. 16</xref> is homogeneous, the solution &#x3a8;(<italic>R</italic>, <italic>Z</italic>) has no local maxima or minima in the interior of the restricted domain (i.e., in the eye). For the problems considered here, we have chosen &#x3a8;<sub>ew</sub>(<italic>Z</italic>) &#x2264; 0, so that &#x3a8;(<italic>R</italic>, <italic>Z</italic>) attains its minimum value on the outer boundary <italic>R</italic> &#x3d; <italic>R</italic>
<sub>ew</sub> and its maximum value of zero on the other three boundaries, <italic>R</italic> &#x3d; 0 and <italic>Z</italic> &#x3d; 0, <italic>Z</italic>
<sub>T</sub>, where <italic>Z</italic>
<sub>T</sub> &#x3d; <italic>z</italic>
<sub>T</sub> represents the tropopause. By concentrating attention on the restricted problem (<xref ref-type="disp-formula" rid="e16">Eq. 16</xref>), the goal is to understand how the spatial structure of eye subsidence is shaped by <italic>N</italic>(<italic>R</italic>, <italic>Z</italic>), <inline-formula id="inf13">
<mml:math id="m29">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and &#x3a8;<sub>ew</sub>(<italic>Z</italic>). A semi-analytical solution of a simplified version of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e16">16</xref> is given in <xref ref-type="sec" rid="s3">Section 3</xref>, using vertical transform methods. An alternative approach, not explored here, is to study solutions of the geopotential tendency equation (see Appendix B).</p>
</sec>
<sec id="s3">
<title>3 Subsidence in a vertically sheared, Rankine vortex core</title>
<sec id="s3-1">
<title>3.1 The specified vortex</title>
<p>We now solve Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e16">16</xref> semi-analytically for particular choices of the coefficients <inline-formula id="inf14">
<mml:math id="m30">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <italic>N</italic>(<italic>R</italic>, <italic>Z</italic>). For the example given here, the vortex core is assumed to have constant angular velocity (i.e., solid body rotation) on each isobaric surface, but with the angular velocity varying in the vertical. In terms of <italic>v</italic>(<italic>r</italic>, <italic>z</italic>) and <italic>&#x3b8;</italic>(<italic>r</italic>, <italic>z</italic>), the specified vortex for 0 &#x2264; <italic>r</italic> &#x2264; <italic>r</italic>
<sub>ew</sub>(<italic>z</italic>) and 0 &#x2264; <italic>z</italic> &#x2264; <italic>z</italic>
<sub>T</sub> is given by<disp-formula id="e17">
<mml:math id="m31">
<mml:mfenced open="{" close="">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>c</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(17)</label>
</disp-formula>where, for this vertically sheared Rankine core, the effective inertial frequency <inline-formula id="inf15">
<mml:math id="m32">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is also the absolute vorticity in the eye, the constants <inline-formula id="inf16">
<mml:math id="m33">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf17">
<mml:math id="m34">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> are the specified values of <inline-formula id="inf18">
<mml:math id="m35">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at <italic>z</italic> &#x3d; 0 and <italic>z</italic> &#x3d; <italic>z</italic>
<sub>T</sub> respectively, and <inline-formula id="inf19">
<mml:math id="m36">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ew</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ew</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>, with the constant <italic>R</italic>
<sub>ew</sub> denoting the potential radius of the inner edge of the eyewall. The specified function <italic>&#x3b8;</italic>
<sub>c</sub>(<italic>z</italic>) is the potential temperature at the vortex center, which is simply taken as a quadratic function of <italic>z</italic> varying from 300 K at z &#x3d; 0 to 370 K at <italic>z</italic> &#x3d; <italic>z</italic>
<sub>T</sub> &#x3d; 16&#xa0;km, i.e.,<disp-formula id="e18">
<mml:math id="m37">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>c</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>300</mml:mn>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">K</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>70</mml:mn>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">K</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>52</mml:mn>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">K</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(18)</label>
</disp-formula>This profile, shown by the dashed blue line in <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6</xref>, has been constructed to approximate the <italic>&#x3b8;</italic>-profile for the center of Hurricane Hilda, as described by <xref ref-type="bibr" rid="B6">Hawkins and Rubsam (1968)</xref> and shown by the solid blue curve in <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6</xref>. For reference, the mean profiles for the West Indies, as given by <xref ref-type="bibr" rid="B10">Jordan (1958)</xref>, and the mean profiles for the Marshall Islands and GATE, as given by <xref ref-type="bibr" rid="B5">Fulton and Schubert (1985)</xref>, are shown by the other colored curves, thereby illustrating the warming of the core of Hilda relative to a far-field environment. In addition to this profile, we have chosen the following parameters for our analyses of both the barotropic and baroclinic cases: <italic>R</italic>
<sub>d</sub> &#x3d; 287&#xa0;J&#xa0;kg<sup>&#x2212;1</sup>&#xa0;K<sup>&#x2212;1</sup>, <italic>T</italic>
<sub>0</sub> &#x3d; 300&#xa0;K, <italic>p</italic>
<sub>0</sub> &#x3d; 1000&#xa0;hPa, <italic>g</italic> &#x3d; 9.81&#xa0;m&#x2009;s<sup>&#x2212;2</sup>, <italic>H</italic> &#x3d; <italic>R</italic>
<sub>d</sub>
<italic>T</italic>
<sub>0</sub>/<italic>g</italic> &#x3d; 8,777&#xa0;m, <italic>f</italic> &#x3d; 5 &#xd7; 10<sup>&#x2013;5</sup> s<sup>&#x2212;1</sup>, and <italic>z</italic>
<sub>T</sub> &#x3d; 16&#xa0;km.</p>
<fig id="F6" position="float">
<label>FIGURE 6</label>
<caption>
<p>The solid blue curve is the <italic>&#x3b8;</italic> profile in the core of Hurricane Hilda, as described by <xref ref-type="bibr" rid="B6">Hawkins and Rubsam (1968)</xref>. The dashed blue curve is the quadratic approximation <italic>&#x3b8;</italic>
<sub>c</sub>(<italic>z</italic>) given by Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">18</xref>. For reference, the annual mean and hurricane season mean profiles for the West Indies (<xref ref-type="bibr" rid="B10">Jordan, 1958</xref>) and the mean profiles for the Marshall Islands and GATE (<xref ref-type="bibr" rid="B5">Fulton and Schubert, 1985</xref>) are shown by the other colored curves. The maximum warm-core anomaly in <italic>&#x3b8;</italic> occurs at 300&#xa0;hPa and is approximately 21&#xa0;K. The horizontal line at <italic>z</italic> &#x3d; 16&#xa0;km denotes the upper boundary used in the calculations presented in <xref ref-type="sec" rid="s3">Section 3</xref>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="feart-10-1062465-g006.tif"/>
</fig>
<p>As is easily confirmed, the <italic>v</italic>(<italic>r</italic>, <italic>z</italic>) and <italic>&#x3b8;</italic>(<italic>r</italic>, <italic>z</italic>) fields given in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e17">17</xref> satisfy the thermal wind relation <inline-formula id="inf20">
<mml:math id="m38">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>. The choice <inline-formula id="inf21">
<mml:math id="m39">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> corresponds to a barotropic vortex, which is the case studied by <xref ref-type="bibr" rid="B26">Schubert et al. (2007)</xref>. The vortex specified in <xref ref-type="disp-formula" rid="e17">Eq. 17</xref> is plotted in the left panel of <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7</xref> for the barotropic case <inline-formula id="inf22">
<mml:math id="m40">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>64</mml:mn>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> and <italic>R</italic>
<sub>ew</sub> &#x3d; 240&#xa0;km, so that <italic>r</italic>
<sub>ew</sub>(<italic>z</italic>) &#x3d; 30&#xa0;km and <italic>v</italic>(<italic>r</italic>
<sub>ew</sub>(<italic>z</italic>), <italic>z</italic>) &#x3d; 47.3&#xa0;m&#x2009;s<sup>&#x2212;1</sup>. For barotropic cases such as the one shown in <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7A</xref>, the isolines of <italic>v</italic> and <italic>R</italic> are vertical, while the isentropes are parallel to the isobars. The right panel of <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7</xref> is for the baroclinic case <inline-formula id="inf23">
<mml:math id="m41">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>144</mml:mn>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf24">
<mml:math id="m42">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>36</mml:mn>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>, and <italic>R</italic>
<sub>ew</sub> &#x3d; 240&#xa0;km, so that <inline-formula id="inf25">
<mml:math id="m43">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ew</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula> m&#x2009;s<sup>&#x2212;1</sup>, <italic>r</italic>
<sub>ew</sub>(0) &#x3d; 20&#xa0;km, <italic>r</italic>
<sub>ew</sub>(<italic>z</italic>
<sub>T</sub>) &#x3d; 40&#xa0;km, <italic>v</italic>(<italic>r</italic>
<sub>ew</sub>(0), 0) &#x3d; 71.5&#xa0;m&#x2009;s<sup>&#x2212;1</sup>, and <italic>v</italic>(<italic>r</italic>
<sub>ew</sub>(<italic>z</italic>
<sub>T</sub>), <italic>z</italic>
<sub>T</sub>) &#x3d; 35&#xa0;m&#x2009;s<sup>&#x2212;1</sup>. Note that this baroclinic vortex is warm-core at all levels, with the highest values of <italic>&#x3b8;</italic> on any isobaric surface occurring at <italic>r</italic> &#x3d; 0 and with outward-tilting <italic>R</italic>-surfaces. The maximum values of <italic>v</italic>(<italic>r</italic>, <italic>z</italic>) occur on the <italic>R</italic>
<sub>ew</sub> &#x3d; 240&#xa0;km surface, which is consistent with the observation (<xref ref-type="bibr" rid="B29">Stern and Nolan, 2009</xref>) that, for the majority of storms, the radius of maximum wind is closely approximated by an <italic>R</italic>-surface.</p>
<fig id="F7" position="float">
<label>FIGURE 7</label>
<caption>
<p>Structure of the Rankine vortex core, as described by Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e17">17</xref>, for both the barotropic case <bold>(A)</bold> where <inline-formula id="inf26">
<mml:math id="m44">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>64</mml:mn>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> and the baroclinic (vertically sheared) case <bold>(B)</bold> where <inline-formula id="inf27">
<mml:math id="m45">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>144</mml:mn>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf28">
<mml:math id="m46">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>36</mml:mn>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>. The three sets of contours (black, blue, and red) are for <italic>v</italic>(<italic>r</italic>, <italic>z</italic>), <italic>R</italic>(<italic>r</italic>, <italic>z</italic>) and <italic>&#x3b8;</italic>(<italic>r</italic>, <italic>z</italic>) in the eye region, which is bounded by an eyewall at <italic>R</italic> &#x3d; <italic>R</italic>
<sub>ew</sub> &#x3d; 240&#xa0;km. The physical radius for the eyewall, given by <inline-formula id="inf29">
<mml:math id="m47">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ew</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ew</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>, has a constant value of 30&#xa0;km in the barotropic case but slopes outward between <italic>r</italic> &#x3d; 20&#xa0;km and <italic>r</italic> &#x3d; 40&#xa0;km in the baroclinic case. In panel <bold>(A)</bold>, the black contours for <italic>v</italic>(<italic>r</italic>, <italic>z</italic>) run from 5 to 45&#xa0;m&#x2009;s<sup>&#x2212;1</sup> in increments of 5&#xa0;m&#x2009;s<sup>&#x2212;1</sup>, the blue contours for <italic>R</italic>(<italic>r</italic>, <italic>z</italic>) run from 15 to 240&#xa0;km in increments of 15&#xa0;km, while the red contours for <italic>&#x3b8;</italic>(<italic>r</italic>, <italic>z</italic>) run from 305&#xa0;K to 365&#xa0;K in increments of 5&#xa0;K. In panel <bold>(B)</bold>, the black contours for <italic>v</italic>(<italic>r</italic>, <italic>z</italic>) run from 5 to 70&#xa0;m&#x2009;s<sup>&#x2212;1</sup> in increments of 5&#xa0;m&#x2009;s<sup>&#x2212;1</sup>, the blue contours for <italic>R</italic>(<italic>r</italic>, <italic>z</italic>) run from 15 to 240&#xa0;km in increments of 15&#xa0;km, while the red contours for <italic>&#x3b8;</italic>(<italic>r</italic>, <italic>z</italic>) run from 295&#xa0;K to 365&#xa0;K in increments of 5&#xa0;K.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="feart-10-1062465-g007.tif"/>
</fig>
<p>Written in terms of <italic>V</italic>(<italic>R</italic>, <italic>Z</italic>) and <italic>&#x3b8;</italic>(<italic>R</italic>, <italic>Z</italic>), the specified vortex in <xref ref-type="disp-formula" rid="e17">Eq. 17</xref> for 0 &#x2264; <italic>R</italic> &#x2264; <italic>R</italic>
<sub>ew</sub> and 0 &#x2264; <italic>Z</italic> &#x2264; <italic>Z</italic>
<sub>T</sub> is given by<disp-formula id="e19">
<mml:math id="m48">
<mml:mfenced open="{" close="">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>c</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(19)</label>
</disp-formula>As is also easily confirmed, the <italic>V</italic>(<italic>R</italic>, <italic>Z</italic>) and <italic>&#x3b8;</italic>(<italic>R</italic>, <italic>Z</italic>) fields given in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e19">19</xref> satisfy the thermal wind relation <inline-formula id="inf30">
<mml:math id="m49">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>. A crucial property of this vertically sheared Rankine-like vortex core is that the <italic>&#x3b8;</italic>(<italic>R</italic>, <italic>Z</italic>) field, given by the last line in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e19">19</xref>, is the sum of a function of <italic>Z</italic> and a function of <italic>R</italic>. Using the last line of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e19">19</xref>, we find that <italic>N</italic>
<sup>2</sup> and <italic>P</italic> take the simplified forms<disp-formula id="e20">
<mml:math id="m50">
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>c</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>c</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(20)</label>
</disp-formula>so that both <italic>N</italic>
<sup>2</sup> and <italic>P</italic> are functions of <italic>z</italic> only for the vertically sheared Rankine core. This allows the solution of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e16">16</xref> to be written in separable form, i.e., it allows for the analytical solution of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e16">16</xref> using the vertical normal mode transform method discussed below. The shape of the secondary circulation in the eye depends on the outward tilt of the <italic>R</italic> &#x3d; <italic>R</italic>
<sub>ew</sub> absolute angular momentum surface and on the ratio of the two variable coefficients in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e16">16</xref>. It is convenient to multiply this ratio by the constant scale height <italic>H</italic> to obtain the local Rossby length <inline-formula id="inf31">
<mml:math id="m51">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>, so that in the typical situation for which <inline-formula id="inf32">
<mml:math id="m52">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> decreases with height, the local Rossby length is smallest in the lower troposphere. This leads to the expectation that the compensating subsidence in the eye occurs closer to the eyewall in the lower troposphere than in the upper troposphere. An alternative interpretation of the dynamics involves the definition of Rossby length <italic>via</italic> vertical mode rather than locally. This alternative interpretation is given in the discussion of the results shown in <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref>.</p>
<table-wrap id="T1" position="float">
<label>TABLE 1</label>
<caption>
<p>Numerical results for the barotropic case (top table) and the baroclinic case (bottom table). The first column lists the vertical mode index <italic>&#x2113;</italic>, while the second column lists the corresponding values of the Rossby length <inline-formula id="inf33">
<mml:math id="m53">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>, which are determined from the eigenvalues of the Sturm&#x2013;Liouville problem in <xref ref-type="disp-formula" rid="e23">Eq. 23</xref>. Note that the crude approximation <inline-formula id="inf34">
<mml:math id="m54">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>, which can be derived for the special case where <italic>N</italic>
<sup>2</sup> and <inline-formula id="inf35">
<mml:math id="m55">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are constants, works better for the barotropic case, for which <inline-formula id="inf36">
<mml:math id="m56">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is a constant. The five corresponding eigenfunctions are shown in the left and right panels of <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8</xref>. For the choice <italic>R</italic>
<sub>ew</sub> &#x3d; 240&#xa0;km, the third column lists values of <italic>&#x3bc;</italic>
<sub>
<italic>&#x2113;</italic>
</sub>
<italic>R</italic>
<sub>ew</sub>, which can be interpreted as the number of Rossby lengths (in <italic>R</italic>-space) between the vortex center <italic>R</italic> &#x3d; 0 and the inner edge of the eyewall <italic>R</italic> &#x3d; <italic>R</italic>
<sub>ew</sub>. The fourth column lists values of <italic>I</italic>
<sub>0</sub>(<italic>&#x3bc;</italic>
<sub>
<italic>&#x2113;</italic>
</sub>
<italic>R</italic>
<sub>ew</sub>), which can be interpreted as the factor by which (for given <italic>&#x2113;</italic>) the subsidence at the center is reduced from that at the edge of the eye. The large value of <italic>I</italic>
<sub>0</sub>(<italic>&#x3bc;</italic>
<sub>
<italic>&#x2113;</italic>
</sub>
<italic>R</italic>
<sub>ew</sub>) for <italic>&#x2113;</italic> &#x2265; 2 indicate the importance of the higher vertical modes in producing a lower-tropospheric warm-ring structure. Columns 5 and 6 tabulate the projection of &#x3a8;<sub>ew</sub>(<italic>Z</italic>) onto the first five vertical modes, as computed from Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e29">29</xref>.</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th colspan="6" align="left">(A) Barotropic Case: <inline-formula id="inf37">
<mml:math id="m57">
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>64</mml:mn>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> and <italic>R</italic>
<sub>ew</sub> &#x3d; 240&#xa0;km</th>
</tr>
<tr>
<th align="left">
<italic>&#x2113;</italic>
</th>
<th align="left">
<inline-formula id="inf38">
<mml:math id="m58">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> (km)</th>
<th align="left">
<italic>&#x3bc;</italic>
<sub>
<italic>&#x2113;</italic>
</sub>
<italic>R</italic>
<sub>ew</sub>
</th>
<th align="left">
<italic>I</italic>
<sub>0</sub>(<italic>&#x3bc;</italic>
<sub>
<italic>&#x2113;</italic>
</sub>
<italic>R</italic>
<sub>ew</sub>)</th>
<th align="left">
<italic>A</italic>
<sub>
<italic>&#x2113;</italic>
</sub> for <italic>Z</italic>
<sub>m</sub>/<italic>Z</italic>
<sub>T</sub> &#x3d; 0.25</th>
<th align="left">
<italic>A</italic>
<sub>
<italic>&#x2113;</italic>
</sub> for <italic>Z</italic>
<sub>m</sub>/<italic>Z</italic>
<sub>T</sub> &#x3d; 0.5</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="left">1</td>
<td align="left">133.15</td>
<td align="left">1.80</td>
<td align="left">1.99</td>
<td align="left">&#x2212;1,005.32</td>
<td align="left">&#x2212;1,129.26</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">2</td>
<td align="left">66.78</td>
<td align="left">3.59</td>
<td align="left">7.98</td>
<td align="left">&#x2212;250.87</td>
<td align="left">304.33</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">3</td>
<td align="left">44.46</td>
<td align="left">5.40</td>
<td align="left">38.96</td>
<td align="left">&#x2212;20.77</td>
<td align="left">&#x2212;81.47</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">4</td>
<td align="left">33.30</td>
<td align="left">7.21</td>
<td align="left">204.10</td>
<td align="left">&#x2212;28.60</td>
<td align="left">39.88</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">5</td>
<td align="left">26.62</td>
<td align="left">9.01</td>
<td align="left">1,108.54</td>
<td align="left">&#x2212;4.07</td>
<td align="left">&#x2212;17.82</td>
</tr>
</tbody>
</table>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th colspan="6" align="left">(B) Baroclinic Case: <inline-formula id="inf39">
<mml:math id="m59">
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>144</mml:mn>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>36</mml:mn>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>, and <italic>R</italic>
<sub>ew</sub> &#x3d; 240&#xa0;km</th>
</tr>
<tr>
<th align="left">
<italic>&#x2113;</italic>
</th>
<th align="left">
<inline-formula id="inf138">
<mml:math id="m158">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> (km)</th>
<th align="left">
<italic>&#x3bc;</italic>
<sub>
<italic>&#x2113;</italic>
</sub>
<italic>R</italic>
<sub>ew</sub>
</th>
<th align="left">
<italic>I</italic>
<sub>0</sub>(<italic>&#x3bc;</italic>
<sub>
<italic>&#x2113;</italic>
</sub>
<italic>R</italic>
<sub>ew</sub>)</th>
<th align="left">
<italic>A</italic>
<sub>
<italic>&#x2113;</italic>
</sub> for <italic>Z</italic>
<sub>m</sub>/<italic>Z</italic>
<sub>T</sub> &#x3d; 0.25</th>
<th align="left">
<italic>A</italic>
<sub>
<italic>&#x2113;</italic>
</sub> for <italic>Z</italic>
<sub>m</sub>/<italic>Z</italic>
<sub>T</sub> &#x3d; 0.5</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="left">1</td>
<td align="left">122.53</td>
<td align="left">1.96</td>
<td align="left">2.22</td>
<td align="left">&#x2212;765.54</td>
<td align="left">&#x2212;899.72</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">2</td>
<td align="left">58.44</td>
<td align="left">4.11</td>
<td align="left">12.40</td>
<td align="left">&#x2212;419.44</td>
<td align="left">&#x2212;28.88</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">3</td>
<td align="left">38.54</td>
<td align="left">6.23</td>
<td align="left">82.79</td>
<td align="left">&#x2212;109.89</td>
<td align="left">14.81</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">4</td>
<td align="left">28.78</td>
<td align="left">8.34</td>
<td align="left">587.22</td>
<td align="left">&#x2212;53.50</td>
<td align="left">&#x2212;7.15</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">5</td>
<td align="left">22.98</td>
<td align="left">&#x2009;10.45</td>
<td align="left">4,298.18</td>
<td align="left">&#x2212;23.14</td>
<td align="left">3.72</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
</sec>
<sec id="s3-2">
<title>3.2 Solution <italic>via</italic> the vertical transform method</title>
<p>For the vertically sheared Rankine vortex core, the restricted problem given in <xref ref-type="disp-formula" rid="e16">Eq. 16</xref> simplifies considerably because <italic>N</italic> and <inline-formula id="inf41">
<mml:math id="m61">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are functions of <italic>Z</italic> only. Then, the elliptic partial differential equation reduces to<disp-formula id="e21">
<mml:math id="m62">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(21)</label>
</disp-formula>We now solve Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e21">21</xref> using the vertical transform method. The vertical transform pair is<disp-formula id="e22">
<mml:math id="m63">
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(22)</label>
</disp-formula>where the kernel <inline-formula id="inf42">
<mml:math id="m64">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the transform is defined to be the solution of<disp-formula id="e23">
<mml:math id="m65">
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mtext>with</mml:mtext>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(23)</label>
</disp-formula>which is a second order differential problem of the Sturm&#x2013;Liouville type (e.g., <xref ref-type="bibr" rid="B2">Arfken and Weber, 2005</xref>, Chapter 10). In this method of solution, the streamfunction &#x3a8;(<italic>R</italic>, <italic>Z</italic>) is represented as an infinite series of eigenfunctions <inline-formula id="inf43">
<mml:math id="m66">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with corresponding eigenvalues <italic>&#x3bc;</italic>
<sub>
<italic>&#x2113;</italic>
</sub>. The constant surface value of the effective buoyancy frequency, denoted by <italic>N</italic>
<sub>0</sub>, has been introduced into the weight function <inline-formula id="inf44">
<mml:math id="m67">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> so that, if <inline-formula id="inf45">
<mml:math id="m68">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is normalized in such a way that it is dimensionless, then &#x3a8;(<italic>R</italic>, <italic>Z</italic>) and &#x3a8;<sub>
<italic>&#x2113;</italic>
</sub>(<italic>R</italic>) will have the same units. The orthonormality of the vertical structure functions <inline-formula id="inf46">
<mml:math id="m69">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is discussed in Appendix C, as is the derivation of the second entry in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e22">22</xref> using this orthonormality relation.</p>
<p>To take the vertical transform of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e21">21</xref>, first multiply it by <inline-formula id="inf47">
<mml:math id="m70">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and integrate over <italic>Z</italic> to obtain<disp-formula id="e24">
<mml:math id="m71">
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(24)</label>
</disp-formula>Integrating by parts twice, making use of the top and bottom boundary conditions on &#x3a8;(<italic>R</italic>, <italic>Z</italic>) and <inline-formula id="inf48">
<mml:math id="m72">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we obtain<disp-formula id="e25">
<mml:math id="m73">
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(25)</label>
</disp-formula>Making use of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e23">23</xref>, the horizontal structure equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="e25">Eq. 25</xref>) becomes<disp-formula id="e26">
<mml:math id="m74">
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mtext>for</mml:mtext>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ew</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mtext>with</mml:mtext>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(26)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The solution of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e26">26</xref> is a linear combination of the order one modified Bessel functions <italic>I</italic>
<sub>1</sub>(<italic>&#x3bc;</italic>
<sub>
<italic>&#x2113;</italic>
</sub>
<italic>R</italic>) and <italic>K</italic>
<sub>1</sub>(<italic>&#x3bc;</italic>
<sub>
<italic>&#x2113;</italic>
</sub>
<italic>R</italic>). Because <italic>K</italic>
<sub>1</sub>(<italic>&#x3bc;</italic>
<sub>
<italic>&#x2113;</italic>
</sub>
<italic>R</italic>) is singular at <italic>R</italic> &#x3d; 0, only the <italic>I</italic>
<sub>1</sub>(<italic>&#x3bc;</italic>
<sub>
<italic>&#x2113;</italic>
</sub>
<italic>R</italic>) solution is accepted in the region 0 &#x2264; <italic>R</italic> &#x3c; <italic>R</italic>
<sub>ew</sub>. Thus, the solution of the horizontal structure problem (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e26">26</xref>) is<disp-formula id="e27">
<mml:math id="m75">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ew</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(27)</label>
</disp-formula>where the <italic>A</italic>
<sub>
<italic>&#x2113;</italic>
</sub> are constants. Using Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e27">27</xref> in the top entry of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e22">22</xref>, the final solution for the streamfunction becomes<disp-formula id="e28">
<mml:math id="m76">
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ew</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mtext>for</mml:mtext>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ew</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mtext>and</mml:mtext>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(28)</label>
</disp-formula>where the coefficients <italic>A</italic>
<sub>
<italic>&#x2113;</italic>
</sub> are computed from the specified function &#x3a8;<sub>ew</sub>(<italic>Z</italic>) <italic>via</italic>
<disp-formula id="e29">
<mml:math id="m77">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ew</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(29)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The solution given in <xref ref-type="disp-formula" rid="e28">Eq. 28</xref> is valid for vortices with the vertical profiles of <inline-formula id="inf49">
<mml:math id="m78">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <italic>N</italic>(<italic>Z</italic>) given by Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="e17">17</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e19">19</xref>. With these vertical profiles, the first five eigenvalues of the vertical structure problem (<xref ref-type="disp-formula" rid="e23">Eq. 23</xref>) are given in the top part of <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref> for the barotropic case, and the bottom part of <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref> for the baroclinic case. The corresponding five eigenfunctions <inline-formula id="inf50">
<mml:math id="m79">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are shown in the left (barotropic) and right (baroclinic) panels of <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8</xref>. Note that we have solved the vertical structure problem (<xref ref-type="disp-formula" rid="e23">Eq. 23</xref>) using the Mathematica package NDEigensystem, which returns the eigenvalues and eigenfunctions of a user-defined linear operator, along with user-defined boundary conditions. This Mathematica package returns eigenfunctions with a default normalization, so we have renormalized the Mathematica output to satisfy the normalization given in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e40">40</xref> in Appendix C. There is general similarity in the appearance of the vertical structure functions for the barotropic and baroclinic cases. However, the inclusion of vertical dependence of <inline-formula id="inf51">
<mml:math id="m80">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the Sturm&#x2013;Liouville problem in <xref ref-type="disp-formula" rid="e23">Eq. 23</xref> does lead to vertical shifts (<inline-formula id="inf52">
<mml:math id="m81">
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula> km) in the nodes and to changes in the upper tropospheric amplitudes of the <inline-formula id="inf53">
<mml:math id="m82">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> functions.</p>
<fig id="F8" position="float">
<label>FIGURE 8</label>
<caption>
<p>Barotropic <bold>(A)</bold> and baroclinic <bold>(B)</bold> vertical structure functions <inline-formula id="inf54">
<mml:math id="m83">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for <italic>&#x2113;</italic> &#x3d; 1, 2, 3, 4, 5. These are the eigenfunctions of the Sturm&#x2013;Liouville problem in <xref ref-type="disp-formula" rid="e23">Eq. 23</xref>, satisfying the orthonormality relation in <xref ref-type="disp-formula" rid="e40">Eq. 40</xref>. The associated eigenvalues are given in the top (barotropic) and bottom (baroclinic) halves of <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="feart-10-1062465-g008.tif"/>
</fig>
<p>Using Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e28">28</xref>, along with the derivative relation <italic>d</italic> [<italic>RI</italic>
<sub>1</sub>(<italic>&#x3bc;</italic>
<sub>
<italic>&#x2113;</italic>
</sub>
<italic>R</italic>)]/<italic>dR</italic> &#x3d; <italic>&#x3bc;</italic>
<sub>
<italic>&#x2113;</italic>
</sub>
<italic>RI</italic>
<sub>0</sub>(<italic>&#x3bc;</italic>
<sub>
<italic>&#x2113;</italic>
</sub>
<italic>R</italic>), it can be shown that the formula for <italic>&#x3c1;W</italic>(<italic>R</italic>, <italic>Z</italic>) is<disp-formula id="e30">
<mml:math id="m84">
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ew</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mtext>for</mml:mtext>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ew</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mtext>and</mml:mtext>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(30)</label>
</disp-formula>and the formula for <italic>&#x3c1;w</italic>(<italic>r</italic>, <italic>z</italic>) is<disp-formula id="e31">
<mml:math id="m85">
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:munderover accentunder="false" accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ew</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mtext>for</mml:mtext>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ew</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mtext>and</mml:mtext>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(31)</label>
</disp-formula>Note that the vertical mass flux <italic>&#x3c1;w</italic> is related to the vertical <italic>p</italic>-velocity by <italic>&#x3c1;w</italic> &#x3d; &#x2212;(1/<italic>g</italic>)<italic>&#x3c9;</italic> and that <italic>w</italic>(<italic>r</italic>, <italic>z</italic>) can have a quite different vertical dependence than <italic>W</italic>(<italic>R</italic>, <italic>Z</italic>), for example due to the leading <inline-formula id="inf55">
<mml:math id="m86">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> factor, which can have large values in the lower troposphere.</p>
<p>We now specify &#x3a8;<sub>ew</sub>(<italic>Z</italic>) in such a way that it vanishes at <italic>Z</italic> &#x3d; 0, <italic>Z</italic>
<sub>T</sub> and has only one local minimum for 0 &#x3c; <italic>Z</italic> &#x3c; <italic>Z</italic>
<sub>T</sub>. The specification of &#x3a8;<sub>ew</sub>(<italic>Z</italic>) constrains the problem in an important way. To see this, note that<disp-formula id="e32">
<mml:math id="m87">
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mspace width="-0.17em"/>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ew</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="-0.17em"/>
<mml:mspace width="-0.17em"/>
<mml:mspace width="-0.17em"/>
<mml:mspace width="-0.17em"/>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mspace width="-0.17em"/>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mspace width="-0.17em"/>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ew</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="-0.17em"/>
<mml:mspace width="-0.17em"/>
<mml:mspace width="-0.17em"/>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mspace width="-0.17em"/>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mspace width="-0.17em"/>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ew</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ew</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ew</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(32)</label>
</disp-formula>which shows that the specification of 2<italic>&#x3c0;R</italic>
<sub>ew</sub>&#x3a8;<sub>ew</sub>(<italic>Z</italic>) is equivalent to specification of the vertical distribution of the horizontally integrated vertical mass flux in the eye. However, the details of the spatial distribution of vertical motion in the eye comes from the elliptic equation, whose solution yields <xref ref-type="disp-formula" rid="e30">Eqs. 30</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e31">31</xref>. In order to make the height of the minimum value of &#x3a8;<sub>ew</sub>(<italic>Z</italic>) adjustable, we have chosen the form<disp-formula id="e33">
<mml:math id="m88">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ew</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ew</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>m</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>m</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>tan</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>m</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>m</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(33)</label>
</disp-formula>where the specified parameter <italic>Z</italic>
<sub>m</sub> is the height of the minimum value of &#x3a8;<sub>ew</sub>(<italic>Z</italic>). In all the results presented here, the normalization factor &#x3a8;<sub>ew</sub>(<italic>Z</italic>
<sub>m</sub>) has been chosen such that 2<italic>&#x3c0;R</italic>
<sub>ew</sub>&#x3a8;<sub>ew</sub>(<italic>Z</italic>
<sub>m</sub>) &#x3d; &#x2212;1.8 &#xd7; 10<sup>9</sup>&#xa0;kg&#xa0;s<sup>&#x2212;1</sup>. Plots of &#x3a8;<sub>ew</sub>(<italic>Z</italic>)/&#x3a8;<sub>ew</sub>(<italic>Z</italic>
<sub>m</sub>) for the two choices <italic>Z</italic>
<sub>m</sub> &#x3d; 0.5 <italic>Z</italic>
<sub>T</sub> &#x3d; 8&#xa0;km (a middle-tropospheric forcing case) and <italic>Z</italic>
<sub>m</sub> &#x3d; 0.25 <italic>Z</italic>
<sub>T</sub> &#x3d; 4&#xa0;km (a lower-tropospheric forcing case) are shown in <xref ref-type="fig" rid="F9">Figure 9</xref>. The normalization factor chosen here results in horizontally averaged eye subsidence rates, defined by <inline-formula id="inf56">
<mml:math id="m89">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ew</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ew</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>, of approximately 1&#x2013;2&#xa0;m&#x2009;s<sup>&#x2212;1</sup>, which is consistent with the aircraft observations reported by <xref ref-type="bibr" rid="B11">Jorgensen (1984)</xref>. The projection of these two &#x3a8;<sub>ew</sub>(<italic>Z</italic>) profiles onto the first five vertical modes, as computed from <xref ref-type="disp-formula" rid="e29">Eq. 29</xref>, is shown in <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref>.</p>
<fig id="F9" position="float">
<label>FIGURE 9</label>
<caption>
<p>The specified function &#x3a8;<sub>ew</sub>(<italic>Z</italic>)/&#x3a8;<sub>ew</sub>(<italic>Z</italic>
<sub>m</sub>), as given by Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e33">33</xref>, for <italic>Z</italic>
<sub>m</sub> &#x3d; 0.5 <italic>Z</italic>
<sub>T</sub> &#x3d; 8&#xa0;km and <italic>Z</italic>
<sub>m</sub> &#x3d; 0.25 <italic>Z</italic>
<sub>T</sub> &#x3d; 4&#xa0;km. In all the results presented here we have chosen the normalization factor &#x3a8;<sub>ew</sub>(<italic>Z</italic>
<sub>m</sub>) such that 2<italic>&#x3c0;R</italic>
<sub>ew</sub>&#x3a8;<sub>ew</sub>(<italic>Z</italic>
<sub>m</sub>) &#x3d; &#x2212;1.8 &#xd7; 10<sup>9</sup>&#xa0;kg&#xa0;s<sup>&#x2212;1</sup>. According to Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e32">32</xref>, the vertical distribution of the horizontally integrated downward mass flux in the eye is given by 2<italic>&#x3c0;R</italic>
<sub>ew</sub>&#x3a8;<sub>ew</sub>(<italic>Z</italic>). Specification of the constant <italic>R</italic>
<sub>ew</sub> also specifies <italic>r</italic>
<sub>ew</sub>(<italic>z</italic>) since <inline-formula id="inf57">
<mml:math id="m90">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ew</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ew</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>. Determination of the detailed spatial distribution of the downward mass flux <italic>&#x3c1;w</italic>(<italic>r</italic>, <italic>z</italic>) &#x3d; <italic>&#x2202;</italic>[<italic>r&#x3c8;</italic>(<italic>r</italic>, <italic>z</italic>)]/<italic>r&#x2202;r</italic> requires solution of the homogeneous, restricted elliptic problem given in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e16">16</xref> for &#x3a8;(<italic>R</italic>, <italic>Z</italic>), from which <italic>&#x3c8;</italic>(<italic>r</italic>, <italic>z</italic>) is obtained <italic>via</italic> <italic>&#x3c8;</italic>(<italic>r</italic>, <italic>z</italic>) &#x3d; (<italic>R</italic>/<italic>r</italic>)&#x3a8;(<italic>R</italic>, <italic>Z</italic>).</p>
</caption>
<graphic xlink:href="feart-10-1062465-g009.tif"/>
</fig>
<p>
<xref ref-type="fig" rid="F10">Figure 10</xref> shows isolines of <italic>r&#x3c8;</italic>(<italic>r</italic>, <italic>z</italic>) for the middle-tropospheric eyewall forcing case <italic>Z</italic>
<sub>m</sub> &#x3d; 8&#xa0;km (upper two panels) and for the lower-tropospheric eyewall forcing case <italic>Z</italic>
<sub>m</sub> &#x3d; 4&#xa0;km (lower two panels). These isolines of <italic>r&#x3c8;</italic> have been computed from <xref ref-type="disp-formula" rid="e28">Eqs. 28</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e29">29</xref> using the relation <italic>r&#x3c8;</italic> &#x3d; <italic>R</italic>&#x3a8;. The sum over <italic>&#x2113;</italic> in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e28">28</xref> has been truncated at <italic>&#x2113;</italic> &#x3d; 20. Also shown in <xref ref-type="fig" rid="F10">Figure 10</xref> are isolines of <italic>&#x3b8;</italic>(<italic>r</italic>, <italic>z</italic>); these isolines are identical to those shown in <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7</xref>. Alternative views of the adiabatic temperature changes in the eye are provided by (<italic>&#x2202;&#x3b8;</italic>/<italic>&#x2202;t</italic>), the tendency at fixed radius <italic>r</italic>, and by (<italic>&#x2202;&#x3b8;</italic>/<italic>&#x2202;&#x3c4;</italic>), the tendency at fixed potential radius <italic>R</italic>. Here, we discuss only the tendency (<italic>&#x2202;&#x3b8;</italic>/<italic>&#x2202;t</italic>), which is governed by<disp-formula id="e34">
<mml:math id="m91">
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(34)</label>
</disp-formula>
</p>
<fig id="F10" position="float">
<label>FIGURE 10</label>
<caption>
<p>Isolines of the solution <italic>r&#x3c8;</italic>(<italic>r</italic>, <italic>z</italic>) (navy blue contours) and of <italic>&#x3b8;</italic>(<italic>r</italic>, <italic>z</italic>) (red contours) for the barotropic case <bold>(A,B)</bold> and for the baroclinic case <bold>(C,D)</bold>, both shown for the two eyewall forcing cases <italic>Z</italic>
<sub>m</sub> &#x3d; 0.5 <italic>Z</italic>
<sub>T</sub> &#x3d; 8&#xa0;km <bold>(A,C)</bold> and <italic>Z</italic>
<sub>m</sub> &#x3d; 0.25 <italic>Z</italic>
<sub>T</sub> &#x3d; 4&#xa0;km <bold>(B,D)</bold>. The specified functions &#x3a8;<sub>ew</sub>(<italic>Z</italic>) for these two eyewall forcing cases are shown in <xref ref-type="fig" rid="F9">Figure 9</xref>. The isolines of <italic>r&#x3c8;</italic> have been computed from the solution given in <xref ref-type="disp-formula" rid="e28">Eq. 28</xref> using the relation <italic>r&#x3c8;</italic> &#x3d; <italic>R</italic>&#x3a8;, with the sum over <italic>&#x2113;</italic> truncated at <italic>&#x2113;</italic> &#x3d; 20. The blue contours for <italic>r&#x3c8;</italic> indicate the direction of fluid flow for the secondary circulation within the eye and have a contour interval of 2.0 &#xd7; 10<sup>7</sup>&#xa0;kg&#xa0;s<sup>&#x2212;1</sup>. The red contours for <italic>&#x3b8;</italic>(<italic>r</italic>, <italic>z</italic>) are identical to those shown in <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7</xref> and run from 305&#xa0;K to 365&#xa0;K for the barotropic case (left column) and from 295&#xa0;K to 365&#xa0;K for the baroclinic case (right column), both in increments of 5&#xa0;K. In regions where a small area is enclosed by two neighboring blue lines and two neighboring red lines, the Jacobian <italic>&#x2202;</italic>(<italic>r&#x3c8;</italic>, <italic>&#x3b8;</italic>)/<italic>r&#x2202;</italic>(<italic>r</italic>, <italic>z</italic>) tends to be large, so that <italic>&#x2202;&#x3b8;</italic>/<italic>&#x2202;t</italic> tends to be large, as shown in <xref ref-type="fig" rid="F11">Figure 11</xref>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="feart-10-1062465-g010.tif"/>
</fig>
<p>From the above Jacobian form in (<italic>r</italic>, <italic>z</italic>), we conclude that the formation of lower-tropospheric warm-ring structures, where (<italic>&#x2202;&#x3b8;</italic>/<italic>&#x2202;t</italic>) is large, tends to occur where small areas are produced by the intersection of <italic>&#x3b8;</italic>-isolines and (<italic>r&#x3c8;</italic>)-isolines. <xref ref-type="fig" rid="F11">Figure 11</xref> shows the corresponding potential temperature tendencies produced by the secondary circulations shown in <xref ref-type="fig" rid="F10">Figure 10</xref>. The lower-tropospheric baroclinic case <italic>Z</italic>
<sub>m</sub> &#x3d; 4&#xa0;km, shown in <xref ref-type="fig" rid="F11">Figure 11D</xref>, clearly illustrates the tendency to produce an upper-tropospheric warm-core and a lower-tropospheric warm-ring structure. For example, at <italic>z</italic> &#x2248; 10&#xa0;km, the values of <italic>&#x2202;&#x3b8;</italic>/<italic>&#x2202;t</italic> are uniform for 0 &#x3c; <italic>r</italic> &#x3c; 15&#xa0;km and somewhat smaller for 15 &#x3c; <italic>r</italic> &#x3c; 28&#xa0;km. In contrast, at <italic>z</italic> &#x2248; 3&#xa0;km, the values of <italic>&#x2202;&#x3b8;</italic>/<italic>&#x2202;t</italic> near <italic>r</italic> &#x2248; 21&#xa0;km are approximately five times as large as those at <italic>r</italic> &#x3d; 0. These results indicate that a full-tropospheric warm-core structure such as that shown in <xref ref-type="fig" rid="F10">Figure 10D</xref> could transform into a lower-tropospheric warm-ring structure very quickly, perhaps in less than an hour.</p>
<fig id="F11" position="float">
<label>FIGURE 11</label>
<caption>
<p>The potential temperature tendency <italic>&#x2202;&#x3b8;</italic>/<italic>&#x2202;t</italic> for the barotropic case <bold>(A,B)</bold> and for the baroclinic case <bold>(C,D)</bold>, both shown for the two eyewall forcing cases <italic>Z</italic>
<sub>m</sub> &#x3d; 0.5 <italic>Z</italic>
<sub>T</sub> &#x3d; 8&#xa0;km <bold>(A,C)</bold> and <italic>Z</italic>
<sub>m</sub> &#x3d; 0.25 <italic>Z</italic>
<sub>T</sub> &#x3d; 4&#xa0;km <bold>(B,D)</bold>. The contour interval for <italic>&#x2202;&#x3b8;</italic>/<italic>&#x2202;t</italic> is 5.0&#xa0;K&#x2009;h<sup>&#x2212;1</sup> with positive contours shown in red, the zero contour level shown in black, and negative contours shown in blue. The &#x2212; <italic>w</italic>(<italic>&#x2202;&#x3b8;</italic>/<italic>&#x2202;z</italic>) term contributes to positive (<italic>&#x2202;&#x3b8;</italic>/<italic>&#x2202;t</italic>) at all radii and all levels, except in a small region of the upper troposphere in the baroclinic cases. In the two baroclinic cases the &#x2212; <italic>u</italic>(<italic>&#x2202;&#x3b8;</italic>/<italic>&#x2202;r</italic>) term generally opposes the &#x2212; <italic>w</italic>(<italic>&#x2202;&#x3b8;</italic>/<italic>&#x2202;z</italic>) at upper-tropospheric levels (i.e., radial advection of colder air), but enhances the &#x2212; <italic>w</italic>(<italic>&#x2202;&#x3b8;</italic>/<italic>&#x2202;z</italic>) term at lower-tropospheric levels (i.e., radial advection of warmer air). This results in a (<italic>&#x2202;&#x3b8;</italic>/<italic>&#x2202;t</italic>) field that is more radially uniform in the upper troposphere, but enhanced near the edge of the eye at lower-tropospheric levels.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="feart-10-1062465-g011.tif"/>
</fig>
</sec>
</sec>
<sec id="s4">
<title>4 Concluding remarks</title>
<p>Two problems for the secondary circulation in <italic>R</italic>-space have been formulated. The first is the full domain elliptic problem <xref ref-type="disp-formula" rid="e15">(Eq. 15)</xref>, which requires knowledge of the coefficients <inline-formula id="inf58">
<mml:math id="m92">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <italic>N</italic>(<italic>R</italic>, <italic>Z</italic>), and the forcing <italic>Q</italic>(<italic>R</italic>, <italic>Z</italic>) over 0 &#x2264; <italic>R</italic> &#x3c; <italic>&#x221e;</italic>. The second is the restricted domain elliptic problem <xref ref-type="disp-formula" rid="e16">(Eq. 16)</xref>, which requires knowledge of the coefficients <inline-formula id="inf59">
<mml:math id="m93">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>]</inline-formula> and <italic>N</italic>(<italic>R</italic>, <italic>Z</italic>) over 0 &#x2264; <italic>R</italic> &#x2264; <italic>R</italic>
<sub>ew</sub> and specification of the lateral boundary values &#x3a8;<sub>ew</sub>(<italic>Z</italic>) at <italic>R</italic> &#x3d; <italic>R</italic>
<sub>ew</sub>. For the barotropic vortex core and the vertically sheared Rankine core, the restricted domain elliptic problem has been solved semi-analytically in <xref ref-type="sec" rid="s3">Section 3</xref>. The results for the middle-tropospheric forcing barotropic case shown in the upper left panels of <xref ref-type="fig" rid="F10">Figure 10</xref> and <xref ref-type="fig" rid="F11">Figure 11</xref> are closest to the results shown in the previous study (<xref ref-type="bibr" rid="B26">Schubert et al., 2007</xref>), which were based on full domain, physical space solutions of the transverse circulation equation with forcing of the first internal mode only. In the results for the lower-tropospheric forcing barotropic case shown in the lower left panels of <xref ref-type="fig" rid="F10">Figure 10</xref> and <xref ref-type="fig" rid="F11">Figure 11</xref>, the minimum value of &#x3a8;<sub>ew</sub>(<italic>Z</italic>) has been shifted to a lower level, which has the effect of producing an enhancement of <italic>&#x2202;&#x3b8;</italic>/<italic>&#x2202;t</italic> in the lower troposphere at the edge of the eye. The results for the vertically sheared (baroclinic) Rankine core, shown in the right panels of <xref ref-type="fig" rid="F10">Figure 10</xref> and <xref ref-type="fig" rid="F11">Figure 11</xref>, more realistically capture the outward tilt of the eyewall and illustrate to a greater degree the preference for the potential temperature tendency to be largest in the lower troposphere at the edge of the eye in baroclinic vortices for which the minimum value of the eyewall streamfunction &#x3a8;<sub>ew</sub>(<italic>Z</italic>) occurs below middle-tropospheric levels. The right two panels of <xref ref-type="fig" rid="F11">Figure 11</xref> are consistent with the concept of a potential temperature tendency field that is nearly uniform in radius at upper tropospheric levels but highly biased toward the edge of the eye at lower tropospheric levels, i.e., consistent with the development of a warm core at upper levels and a warm ring at lower levels, as seen in the full-physics simulations of <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref>.</p>
<p>It is important to note that the model of eye subsidence used here is highly idealized, i.e., it is axisymmetric, gradient balanced, inviscid, adiabatic, and for a restricted domain. The adiabatic idealization results because, in the formulation of the restricted problem (<xref ref-type="disp-formula" rid="e16">Eq. 16</xref>), it has been assumed that <italic>Q</italic> &#x3d; 0 for <italic>R</italic> &#x2264; <italic>R</italic>
<sub>ew</sub>. Careful inspection of the lower panel of <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref> indicates that this assumption might be violated in the upper troposphere near the edge of the eye, where frozen condensate can be advected inward and subsequently sublimated, producing a region where <italic>Q</italic> &#x3c; 0. <xref ref-type="bibr" rid="B13">Malkus (1958)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B30">Willoughby (1998)</xref>, and <xref ref-type="bibr" rid="B32">Zhang et al. (2002)</xref> have considered the role that such cooling might play in producing deep, narrow downdrafts at the edge of the eye. The relative roles of such diabatic dynamics and the adiabatic dynamics studied here deserve further study. The idealization of gradient balance filters inertia-gravity waves, which results in a &#x201c;slow manifold&#x201d; view of eye dynamics. With their mesoscale scanning techniques, the GOES-R series of geostationary satellites can image a 1000&#xa0;km &#xd7; 1000&#xa0;km hurricane area with 30&#xa0;s time resolution. When viewing such rapid-scan loops of a major hurricane, one is struck by the highly dynamic nature of the inner core. Some of the high frequency variability of the inner core is probably due to inertia-gravity wave oscillations that are not captured by the simplified dynamics of the balanced vortex model. However, the balanced vortex model does capture the slow-manifold dynamics upon which we can crudely imagine the higher frequency inertia-gravity waves are superposed. To improve this crude view, much work remains to understand how the inner core PV dynamics can become frequency matched with the inertia-gravity wave oscillations, so the two types of dynamics can evolve in a strongly coupled fashion.</p>
<p>In closing, we comment on the possible effects of lower-tropospheric warm-ring structure on the stadium effect. General experience with solutions of the Eliassen transverse circulation equation supports the notion that baroclinic effects play an important role in determining the outward tilt of the eyewall, as seen for example in the CloudSat observations of <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref>. We have studied the secondary circulation in the eye when the vortex has a warm-core structure at all levels, as shown in the right panel of <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7</xref>. The results indicate that a lower-tropospheric warm-core structure can be modified to a lower-tropospheric warm-ring structure when the subsidence is enhanced in the lower troposphere at the edge of the eye, as shown in panels D of <xref ref-type="fig" rid="F10">Figure 10</xref> and <xref ref-type="fig" rid="F11">Figure 11</xref>. When a lower-tropospheric warm ring develops in a tropical cyclone, the baroclinic terms acquire a more complicated spatial structure, which means the absolute angular momentum surfaces also acquire a correspondingly more complicated spatial structure. To see this, consider the thermal wind equation written in the form <italic>f</italic>
<sup>2</sup>(<italic>R</italic>/<italic>r</italic>)<sup>3</sup>(<italic>&#x2202;R</italic>/<italic>&#x2202;z</italic>) &#x3d; (<italic>g</italic>/<italic>T</italic>
<sub>0</sub>)(<italic>&#x2202;T</italic>/<italic>&#x2202;r</italic>). From this form of the thermal wind equation, we can easily deduce the following general rules.<disp-formula id="equ1">
<mml:math id="m94">
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mtext>Radially&#x2009;inward&#x2009;of&#x2009;a&#x2009;warm&#x2009;ring:</mml:mtext>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x21d2;</mml:mo>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x21d2;</mml:mo>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>-</mml:mo>
<mml:mtext>surfaces&#x2009;tilt&#x2009;inward&#x2009;with&#x2009;height;</mml:mtext>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
</disp-formula>
<disp-formula id="equ2">
<mml:math id="m95">
<mml:mtext>Radially&#x2009;outward&#x2009;of&#x2009;a&#x2009;warm&#x2009;ring:</mml:mtext>
</mml:math>
</disp-formula>
<disp-formula id="e35">
<mml:math id="m96">
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x21d2;</mml:mo>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x21d2;</mml:mo>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>-</mml:mo>
<mml:mtext>surfaces&#x2009;tilt&#x2009;outward&#x2009;with&#x2009;height.</mml:mtext>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(35)</label>
</disp-formula>Thus, if a tropical cyclone has a warm core at all pressure levels, the <italic>R</italic>-surfaces tilt outward with height everywhere. Since the <italic>R</italic>-surfaces help shape the secondary circulation, the eyewall updraft would generally be expected to tilt outward at all levels. However, if a tropical cyclone has a warm-core structure in the upper troposphere but a warm-ring structure in the lower troposphere, the <italic>R</italic>-surfaces tilt inward with height in the lower troposphere just inside the radius with maximum temperature anomaly. The effect is to make the secondary circulation outward-tilted at upper levels but more vertical at lower levels&#x2014;an interesting refinement of the stadium effect. To better understand such refinements, additional solutions of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e16">16</xref> for baroclinic vortices with warm-ring structure would be helpful and are a topic for future work since such solutions would require a numerical approach to Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e16">16</xref>. The semi-analytical approach used here is restricted to the vertically sheared, Rankine vortex and simply provides a snapshot in time (rather than a complete time evolution) that illustrates the tendency for a vortex with a warm-core structure to transition to a vortex with a lower-tropospheric warm-ring structure.</p>
</sec>
</body>
<back>
<sec sec-type="data-availability" id="s5">
<title>Data availability statement</title>
<p>The original contributions presented in the study are included in this article. Further inquiries can be directed to the corresponding author.</p>
</sec>
<sec id="s6">
<title>Author contributions</title>
<p>WS researched and derived the scientific aspects of this work and wrote the majority of this paper. RT developed and ran the numerical models, created the figures related to those model runs, and provided editing and LaTeX support. CS assisted with the research and derivations and with the preparation of some of the figures.</p>
</sec>
<sec id="s7">
<title>Funding</title>
<p>Our research has been supported by the National Science Foundation under grant AGS-1841326.</p>
</sec>
<ack>
<p>We would like to thank Eric Hendricks for his helpful comments and Brian McNoldy, Natalie Tourville, and Graeme Stephens for their advice on the Typhoon Choi-Wan data. We would also like to thank Jon Martinez, Marie McGraw, and the two official reviewers for their insightful reviews and valuable suggestions. The scientific results and conclusions, as well as any views or opinions expressed herein, are those of the author(s) and do not necessarily reflect those of NOAA or the Department of Commerce.</p>
</ack>
<sec sec-type="COI-statement" id="s8">
<title>Conflict of interest</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
<sec sec-type="disclaimer" id="s9">
<title>Publisher&#x2019;s note</title>
<p>All claims expressed in this article are solely those of the authors and do not necessarily represent those of their affiliated organizations, or those of the publisher, the editors and the reviewers. Any product that may be evaluated in this article, or claim that may be made by its manufacturer, is not guaranteed or endorsed by the publisher.</p>
</sec>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Aberson</surname>
<given-names>S. D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Montgomery</surname>
<given-names>M. T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bell</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Black</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2006</year>). <article-title>Hurricane Isabel (2003): New insights into the physics of intense storms. Part II: Extreme localized wind</article-title>. <source>Bull. Am. Meteorol. Soc.</source> <volume>87</volume>, <fpage>1349</fpage>&#x2013;<lpage>1354</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1175/BAMS-87-10-1349</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B2">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Arfken</surname>
<given-names>G. B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Weber</surname>
<given-names>H. J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2005</year>). <source>Mathematical methods for physicists</source>. <edition>Sixth Edition</edition>. <publisher-loc>Amsterdam and Boston</publisher-loc>: <publisher-name>Elsevier Academic Press</publisher-name>.</citation>
</ref>
<ref id="B3">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bell</surname>
<given-names>M. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Montgomery</surname>
<given-names>M. T.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2008</year>). <article-title>Observed structure, evolution, and potential intensity of category 5 Hurricane Isabel (2003) from 12 to 14 September</article-title>. <source>Mon. Wea. Rev.</source> <volume>136</volume>, <fpage>2023</fpage>&#x2013;<lpage>2046</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1175/2007MWR1858.1</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B4">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Eliassen</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1951</year>). <article-title>Slow thermally or frictionally controlled meridional circulation in a circular vortex</article-title>. <source>Astrophys. Norv.</source> <volume>5</volume>, <fpage>19</fpage>&#x2013;<lpage>60</lpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B5">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Fulton</surname>
<given-names>S. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schubert</surname>
<given-names>W. H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1985</year>). <article-title>Vertical normal mode transforms: Theory and application</article-title>. <source>Mon. Wea. Rev.</source> <volume>113</volume>, <fpage>647</fpage>&#x2013;<lpage>658</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1175/1520-0493(1985)113&#x27e8;0647:VNMTTA&#x27e9;2.0.CO;2</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B6">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hawkins</surname>
<given-names>H. F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rubsam</surname>
<given-names>D. T.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1968</year>). <article-title>Hurricane Hilda, 1964. II. Structure and budgets of the hurricane on October 1, 1964</article-title>. <source>Mon. Wea. Rev.</source> <volume>96</volume>, <fpage>617</fpage>&#x2013;<lpage>636</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1175/1520-0493(1968)096&#x3c;0617:hh&#x3e;2.0.co;2</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B7">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hazelton</surname>
<given-names>A. T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hart</surname>
<given-names>R. E.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2013</year>). <article-title>Hurricane eyewall slope as determined from airborne radar reflectivity data: Composites and case studies</article-title>. <source>Wea. Forecast.</source> <volume>28</volume>, <fpage>368</fpage>&#x2013;<lpage>386</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1175/WAF-D-12-00037.1</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B8">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hazelton</surname>
<given-names>A. T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rogers</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hart</surname>
<given-names>R. E.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Shear-relative asymmetries in tropical cyclone eyewall slope</article-title>. <source>Mon. Wea. Rev.</source> <volume>143</volume>, <fpage>883</fpage>&#x2013;<lpage>903</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1175/MWR-D-14-00122.1</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B9">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Johnson</surname>
<given-names>R. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kriete</surname>
<given-names>D. C.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1982</year>). <article-title>Thermodynamic and circulation characteristics of winter monsoon tropical mesoscale convection</article-title>. <source>Mon. Wea. Rev.</source> <volume>110</volume>, <fpage>1898</fpage>&#x2013;<lpage>1911</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1175/1520-0493(1982)110&#x3c;1898:taccow&#x3e;2.0.co;2</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B10">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Jordan</surname>
<given-names>C. L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1958</year>). <article-title>Mean soundings for the West Indies area</article-title>. <source>J. Meteor.</source> <volume>15</volume>, <fpage>91</fpage>&#x2013;<lpage>97</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1175/1520-0469(1958)015&#x3c;0091:MSFTWI&#x3e;2.0.CO;2</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B11">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Jorgensen</surname>
<given-names>D. P.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1984</year>). <article-title>Mesoscale and convective-scale characteristics of mature hurricanes. Part II: Inner core structure of Hurricane Allen (1980)</article-title>. <source>J. Atmos. Sci.</source> <volume>41</volume>, <fpage>1287</fpage>&#x2013;<lpage>1311</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1175/1520-0469(1984)041&#x3c;1287:macsco&#x3e;2.0.co;2</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B12">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kossin</surname>
<given-names>J. P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schubert</surname>
<given-names>W. H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2004</year>). <article-title>Mesovortices in Hurricane Isabel</article-title>. <source>Bull. Am. Meteorol. Soc.</source> <volume>85</volume>, <fpage>151</fpage>&#x2013;<lpage>153</lpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B13">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Malkus</surname>
<given-names>J. S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1958</year>). <article-title>On the structure and maintenance of the mature hurricane eye</article-title>. <source>J. Meteor.</source> <volume>15</volume>, <fpage>337</fpage>&#x2013;<lpage>349</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1175/1520-0469(1958)015&#x3c;0337:otsamo&#x3e;2.0.co;2</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B14">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Martinez</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bell</surname>
<given-names>M. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rogers</surname>
<given-names>R. F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Doyle</surname>
<given-names>J. D.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Axisymmetric potential vorticity evolution of Hurricane Patricia (2015)</article-title>. <source>J. Atmos. Sci.</source> <volume>76</volume>, <fpage>2043</fpage>&#x2013;<lpage>2063</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1175/JAS-D-18-0373.1</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B15">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>M&#xf6;ller</surname>
<given-names>J. D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Smith</surname>
<given-names>R. K.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1994</year>). <article-title>The development of potential vorticity in a hurricane-like vortex</article-title>. <source>Q. J. R. Meteorol. Soc.</source> <volume>120</volume>, <fpage>1255</fpage>&#x2013;<lpage>1265</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/qj.49712051907</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B16">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Montgomery</surname>
<given-names>M. T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bell</surname>
<given-names>M. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Aberson</surname>
<given-names>S. D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Black</surname>
<given-names>M. L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2006</year>). <article-title>Hurricane Isabel (2003): New insights into the physics of intense storms. Part I: Mean vortex structure and maximum intensity estimates</article-title>. <source>Bull. Am. Meteorol. Soc.</source> <volume>87</volume>, <fpage>1335</fpage>&#x2013;<lpage>1348</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1175/BAMS-87-10-1335</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B17">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Nolan</surname>
<given-names>D. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Stern</surname>
<given-names>D. P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>J. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2009a</year>). <article-title>Evaluation of planetary boundary layer parameterizations in tropical cyclones by comparison of <italic>in situ</italic> observations and high-resolution simulations of Hurricane Isabel (2003). Part II: Inner-core boundary layer and eyewall structure</article-title>. <source>Mon. Wea. Rev.</source> <volume>137</volume>, <fpage>3675</fpage>&#x2013;<lpage>3698</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1175/2009MWR2786.1</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B18">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Nolan</surname>
<given-names>D. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>J. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Stern</surname>
<given-names>D. P.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2009b</year>). <article-title>Evaluation of planetary boundary layer parameterizations in tropical cyclones by comparison of <italic>in situ</italic> observations and high-resolution simulations of Hurricane Isabel (2003). Part I: Initialization, maximum winds, and the outer-core boundary layer</article-title>. <source>Mon. Wea. Rev.</source> <volume>137</volume>, <fpage>3651</fpage>&#x2013;<lpage>3674</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1175/2009MWR2785.1</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B19">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Rivoire</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Birner</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Knaff</surname>
<given-names>J. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Evolution of the upper-level thermal structure in tropical cyclones</article-title>. <source>Geophys. Res. Lett.</source> <volume>43</volume> (<issue>10</issue>), <fpage>537</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/2016GL070622</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B20">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Rogers</surname>
<given-names>R. F.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Recent advances in our understanding of tropical cyclone intensity change processes from airborne observations</article-title>. <source>Atmosphere</source> <volume>12</volume> (<issue>650</issue>), <fpage>650</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3390/atmos12050650</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B21">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Rozoff</surname>
<given-names>C. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schubert</surname>
<given-names>W. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>McNoldy</surname>
<given-names>B. D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kossin</surname>
<given-names>J. P.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2006</year>). <article-title>Rapid filamentation zones in intense tropical cyclones</article-title>. <source>J. Atmos. Sci.</source> <volume>63</volume>, <fpage>325</fpage>&#x2013;<lpage>340</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1175/JAS3595.1</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B22">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Schubert</surname>
<given-names>W. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Alworth</surname>
<given-names>B. T.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1987</year>). <article-title>Evolution of potential vorticity in tropical cyclones</article-title>. <source>Q. J. R. Meteorol. Soc.</source> <volume>113</volume>, <fpage>147</fpage>&#x2013;<lpage>162</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/qj.49711347509</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B23">
<citation citation-type="web">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Schubert</surname>
<given-names>W. H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Bernhard Haurwitz memorial lecture (2017): Potential vorticity aspects of tropical dynamics</article-title>. <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="http://arXiv.org/abs/1801.08238">http://arXiv.org/abs/1801.08238</ext-link>.</citation>
</ref>
<ref id="B24">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Schubert</surname>
<given-names>W. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hack</surname>
<given-names>J. J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1983</year>). <article-title>Transformed Eliassen balanced vortex model</article-title>. <source>J. Atmos. Sci.</source> <volume>40</volume>, <fpage>1571</fpage>&#x2013;<lpage>1583</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1175/1520-0469(1983)040&#x3c;1571:tebvm&#x3e;2.0.co;2</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B25">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Schubert</surname>
<given-names>W. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>McNoldy</surname>
<given-names>B. D.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2010</year>). <article-title>Application of the concepts of Rossby length and Rossby depth to tropical cyclone dynamics</article-title>. <source>J. Adv. Model.. Earth Syst.</source> <volume>2</volume>, <fpage>7</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3894/JAMES.2010.2.7</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B26">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Schubert</surname>
<given-names>W. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rozoff</surname>
<given-names>C. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Vigh</surname>
<given-names>J. L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>McNoldy</surname>
<given-names>B. D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kossin</surname>
<given-names>J. P.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2007</year>). <article-title>On the distribution of subsidence in the hurricane eye</article-title>. <source>Q. J. R. Meteorol. Soc.</source> <volume>133</volume>, <fpage>595</fpage>&#x2013;<lpage>605</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/qj.49</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B27">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Simpson</surname>
<given-names>R. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Starrett</surname>
<given-names>L. G.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1955</year>). <article-title>Further studies of hurricane structure by aircraft reconnaissance</article-title>. <source>Bull. Am. Meteorol. Soc.</source> <volume>36</volume>, <fpage>459</fpage>&#x2013;<lpage>468</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1175/1520-0477-36.9.459</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B28">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Stern</surname>
<given-names>D. P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bryan</surname>
<given-names>G. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Aberson</surname>
<given-names>S. D.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Extreme low-level updrafts and wind speeds measured by dropsondes in tropical cyclones</article-title>. <source>Mon. Wea. Rev.</source> <volume>144</volume>, <fpage>2177</fpage>&#x2013;<lpage>2204</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1175/MWR-D-15-0313.1</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B29">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Stern</surname>
<given-names>D. P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nolan</surname>
<given-names>D. S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2009</year>). <article-title>Reexamining the vertical structure of tangential winds in tropical cyclones: Observations and theory</article-title>. <source>J. Atmos. Sci.</source> <volume>66</volume>, <fpage>3579</fpage>&#x2013;<lpage>3600</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1175/2009JAS2916.1</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B30">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Willoughby</surname>
<given-names>H. E.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1998</year>). <article-title>Tropical cyclone eye thermodynamics</article-title>. <source>Mon. Wea. Rev.</source> <volume>126</volume>, <fpage>3053</fpage>&#x2013;<lpage>3067</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1175/1520-0493(1998)126&#x3c;3053:TCET&#x3e;2.0.CO;2</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B31">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Yamasaki</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1983</year>). <article-title>A further study of the tropical cyclone without parameterizing the effects of cumulus convection</article-title>. <source>Pap. Meteorol. Geophys.</source> <volume>34</volume>, <fpage>221</fpage>&#x2013;<lpage>260</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.2467/mripapers.34.221</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B32">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>D.-L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yau</surname>
<given-names>M. K.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2002</year>). <article-title>A multiscale numerical study of Hurricane Andrew (1992). Part V: Inner-core thermodynamics</article-title>. <source>Mon. Wea. Rev.</source> <volume>130</volume>, <fpage>2745</fpage>&#x2013;<lpage>2763</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1175/1520-0493(2002)130&#x3c;2745:amnsoh&#x3e;2.0.co;2</pub-id>
</citation>
</ref>
</ref-list>
<sec id="s25">
<title>Appendix A: Coordinate transformation</title>
<p>This appendix provides an outline of the transformation from the (<italic>r</italic>, <italic>z</italic>, <italic>t</italic>)-version of the gradient balanced model, given in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">1</xref>, to the (<italic>R</italic>, <italic>Z</italic>, <italic>&#x3c4;</italic>)-version, which is given in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">11</xref>.<list list-type="simple">
<list-item>
<p>&#x2022; To transform the gradient wind formula in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">1</xref>, note that</p>
</list-item>
</list>
<disp-formula id="equ3">
<mml:math id="m97">
<mml:mtable class="align-star" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x21d2;</mml:mo>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x21d2;</mml:mo>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>Using <italic>v</italic> &#x3d; (<italic>R</italic>/<italic>r</italic>)<italic>V</italic>, we then obtain the first entry in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">11</xref>.<list list-type="simple">
<list-item>
<p>&#x2022; To transform the second entry in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">1</xref>, we start with the absolute angular momentum form and write</p>
</list-item>
</list>
<disp-formula id="equ4">
<mml:math id="m98">
<mml:mtable class="align-star" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x21d2;</mml:mo>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x21d2;</mml:mo>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x21d2;</mml:mo>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
</disp-formula>where we have made use of (<italic>Dr</italic>/<italic>Dt</italic>) &#x3d; <italic>u</italic> and the absolute angular momentum conservation relation <italic>DR</italic>/<italic>Dt</italic> &#x3d; 0. The final form results from the definition of <italic>U</italic>, which is given in the first entry of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">10</xref>.<list list-type="simple">
<list-item>
<p>&#x2022; To transform the hydrostatic formula in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">1</xref>, note that</p>
</list-item>
</list>
<disp-formula id="equ5">
<mml:math id="m99">
<mml:mtable class="align-star" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
</disp-formula>where the second equality results from <inline-formula id="inf60">
<mml:math id="m100">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> and the transformed gradient wind equation, while the last equality follows from cancellation of the terms within the parentheses. The third entry in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">11</xref> immediately follows. A closely related formula is<disp-formula id="equ6">
<mml:math id="m101">
<mml:mtable class="align-star" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
</disp-formula>which justifies the use of the term &#x201c;geopotential tendency equation&#x201d; for Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e36">36</xref>.<list list-type="simple">
<list-item>
<p>&#x2022; Interestingly, a short derivation of the fourth entry in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">11</xref> begins with the vorticity equation and proceeds as follows:</p>
</list-item>
</list>
<disp-formula id="equ7">
<mml:math id="m102">
<mml:mtable class="align-star" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mo>&#x21d2;</mml:mo>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mo>&#x21d2;</mml:mo>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
</disp-formula>where the second entry follows by combining the twisting and divergence terms and the third entry follows from the use of (<italic>D</italic>/<italic>Dt</italic>) &#x3d; (<italic>&#x2202;</italic>/<italic>&#x2202;&#x3c4;</italic>) &#x2b; <italic>w</italic>(<italic>&#x2202;</italic>/<italic>&#x2202;Z</italic>) and the relationship between <italic>W</italic> and <italic>w</italic>. Now start with the tangential wind equation and proceed as follows:<disp-formula id="equ8">
<mml:math id="m103">
<mml:mtable class="align-star" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x21d2;</mml:mo>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>U</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x21d2;</mml:mo>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>U</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
</disp-formula>where the second entry follows by differentiation of <italic>R</italic> times the first entry, and the third entry from <italic>f</italic>
<sup>2</sup>/(<italic>f</italic> &#x2b; <italic>&#x3b6;</italic>) &#x3d; <italic>f</italic> &#x2212; [<italic>&#x2202;</italic>(<italic>RV</italic>)/<italic>R&#x2202;R</italic>]. Combining the last entries of the above two results yields the fourth entry in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">11</xref>.<list list-type="simple">
<list-item>
<p>&#x2022; Finally, the transformation of the thermodynamic equation in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">1</xref> proceeds as follows:</p>
</list-item>
</list>
<disp-formula id="equ9">
<mml:math id="m104">
<mml:mtable class="align-star" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x21d2;</mml:mo>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x21d2;</mml:mo>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x21d2;</mml:mo>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>p</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
</disp-formula>where the final form results from the definitions of <italic>N</italic>
<sup>2</sup> and <italic>W</italic>.</p>
</sec>
<sec id="s26">
<title>Appendix B: Geopotential tendency equation</title>
<p>The secondary circulation problems defined in Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="e15">15</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e16">16</xref> were derived by eliminating &#x3a6;<sub>
<italic>&#x3c4;</italic>
</sub> between the two equations in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e14">14</xref>. An alternative approach is to make use of the fourth entry in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">11</xref> to eliminate <italic>U</italic> and <italic>W</italic> between the two equations in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e14">14</xref>, thereby obtaining the geopotential tendency equation. Then, translating the Dirichlet boundary conditions on <italic>U</italic> and <italic>W</italic> into Neumann boundary conditions on the normal derivatives of &#x3a6;<sub>
<italic>&#x3c4;</italic>
</sub>, the geopotential tendency problem for the restricted domain can be written as follows.<disp-formula id="e36">
<mml:math id="m105">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mtext mathvariant="bold">Geopotential Tendency Problem on the Restricted Domain:</mml:mtext>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mtext>for</mml:mtext>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ew</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mtext>and</mml:mtext>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mtext>with</mml:mtext>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mfenced open="{" close="">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="cases">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mspace width="1em"/>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mtext>at</mml:mtext>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mspace width="1em"/>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mtext>at</mml:mtext>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mtext>&#x2009;given</mml:mtext>
<mml:mspace width="1em"/>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mtext>at</mml:mtext>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ew</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(36)</label>
</disp-formula>All the conclusions reached in <xref ref-type="sec" rid="s3">Section 3</xref> could also be reached through an analysis of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e36">36</xref>.</p>
</sec>
<sec id="s27">
<title>Appendix C: Orthonormality of the vertical structure functions</title>
<p>The orthonormality of the vertical structure functions is proved as follows. Let <inline-formula id="inf61">
<mml:math id="m106">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf62">
<mml:math id="m107">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> be eigenfunctions with corresponding eigenvalues <italic>&#x3bc;</italic>
<sub>
<italic>&#x2113;</italic>
</sub> and <italic>&#x3bc;</italic>
<sub>
<italic>&#x2113;</italic>&#x2032;</sub>. Then, multiplying the equation for <inline-formula id="inf63">
<mml:math id="m108">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> by <inline-formula id="inf64">
<mml:math id="m109">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>, and the equation for <inline-formula id="inf65">
<mml:math id="m110">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> by <inline-formula id="inf66">
<mml:math id="m111">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>, we obtain<disp-formula id="e37">
<mml:math id="m112">
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(37)</label>
</disp-formula>The difference of these two equations can be written in the form<disp-formula id="e38">
<mml:math id="m113">
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="{" close="}">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(38)</label>
</disp-formula>Integrating over <italic>Z</italic> and noting that both <inline-formula id="inf67">
<mml:math id="m114">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf68">
<mml:math id="m115">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> vanish at <italic>Z</italic> &#x3d; 0 and <italic>Z</italic> &#x3d; <italic>Z</italic>
<sub>T</sub>, we obtain<disp-formula id="e39">
<mml:math id="m116">
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(39)</label>
</disp-formula>Thus, in the absence of degenerate eigenvalues and with proper normalization of <inline-formula id="inf69">
<mml:math id="m117">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the orthonormality relation for the vertical structure functions is<disp-formula id="e40">
<mml:math id="m118">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="{" close="">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="cases">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mspace width="1em"/>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mtext>if&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mspace width="1em"/>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mtext>if&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2260;</mml:mo>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(40)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The proof of the second entry in <xref ref-type="disp-formula" rid="e22">Eq. 22</xref> is as follows. Change the dummy index <italic>&#x2113;</italic> to <italic>&#x2113;</italic>&#x2032; in the first entry of <xref ref-type="disp-formula" rid="e22">Eq. 22</xref>, multiply the resulting formula by <inline-formula id="inf70">
<mml:math id="m119">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>, and then integrate over <italic>Z</italic> to obtain<disp-formula id="e41">
<mml:math id="m120">
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(41)</label>
</disp-formula>where the final equality follows from the orthonormality relation (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e40">40</xref>).</p>
</sec>
</back>
</article>