<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing with OASIS Tables v3.0 20080202//EN" "journalpub-oasis3.dtd">
<article xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:oasis="http://docs.oasis-open.org/ns/oasis-exchange/table" dtd-version="3.0">
  <front>
    <journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher">ANGEO</journal-id>
<journal-title-group>
<journal-title>Annales Geophysicae</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="publisher">ANGEO</abbrev-journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="nlm-ta">Ann. Geophys.</abbrev-journal-title>
</journal-title-group>
<issn pub-type="epub">1432-0576</issn>
<publisher><publisher-name>Copernicus GmbH</publisher-name>
<publisher-loc>Göttingen, Germany</publisher-loc>
</publisher>
</journal-meta>

    <article-meta>
      <article-id pub-id-type="doi">10.5194/angeo-33-1343-2015</article-id><title-group><article-title>Dust devil vortex generation from convective cells</article-title>
      </title-group><?xmltex \runningtitle{Dust devil vortex generation from convective cells}?><?xmltex \runningauthor{O. Onishchenko et al.}?>
      <contrib-group>
        <contrib contrib-type="author" corresp="no" rid="aff1 aff2">
          <name><surname>Onishchenko</surname><given-names>O.</given-names></name>
          
        </contrib>
        <contrib contrib-type="author" corresp="no" rid="aff1">
          <name><surname>Pokhotelov</surname><given-names>O.</given-names></name>
          
        </contrib>
        <contrib contrib-type="author" corresp="no" rid="aff3">
          <name><surname>Horton</surname><given-names>W.</given-names></name>
          
        </contrib>
        <contrib contrib-type="author" corresp="yes" rid="aff4">
          <name><surname>Fedun</surname><given-names>V.</given-names></name>
          <email>v.fedun@sheffield.ac.uk</email>
        </contrib>
        <aff id="aff1"><label>1</label><institution>Institute of Physics of the Earth, 10 B. Gruzinskaya, 123242 Moscow, Russian Federation</institution>
        </aff>
        <aff id="aff2"><label>2</label><institution>Space Research Institute, 84/32, Profsoyuznaya str., 117997 Moscow, Russian Federation</institution>
        </aff>
        <aff id="aff3"><label>3</label><institution>Institute for Fusion Studies, The University of Texas at Austin, Austin, Texas, USA</institution>
        </aff>
        <aff id="aff4"><label>4</label><institution>Space Systems Laboratory, Department of Automatic Control and Systems Engineering, <?xmltex \hack{\newline}?> University of Sheffield, Sheffield, S1 3JD, UK</institution>
        </aff>
      </contrib-group>
      <author-notes><corresp id="corr1">V. Fedun  (v.fedun@sheffield.ac.uk)</corresp></author-notes><pub-date><day>4</day><month>November</month><year>2015</year></pub-date>
      
      <volume>33</volume>
      <issue>11</issue>
      <fpage>1343</fpage><lpage>1347</lpage>
      <history>
        <date date-type="received"><day>30</day><month>July</month><year>2015</year></date>
           <date date-type="rev-recd"><day>15</day><month>October</month><year>2015</year></date>
           <date date-type="accepted"><day>27</day><month>October</month><year>2015</year></date>
      </history>
      <permissions>
<license license-type="open-access">
<license-p>This work is licensed under a Creative Commons Attribution 3.0 Unported License. To view a copy of this license, visit <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/">http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/</ext-link></license-p>
</license>
</permissions><self-uri xlink:href="https://angeo.copernicus.org/articles/33/1343/2015/angeo-33-1343-2015.html">This article is available from https://angeo.copernicus.org/articles/33/1343/2015/angeo-33-1343-2015.html</self-uri>
<self-uri xlink:href="https://angeo.copernicus.org/articles/33/1343/2015/angeo-33-1343-2015.pdf">The full text article is available as a PDF file from https://angeo.copernicus.org/articles/33/1343/2015/angeo-33-1343-2015.pdf</self-uri>


      <abstract>
    <p>We have developed a hydrodynamic theory of the nonlinear stage of dust devil
generation in a convectively unstable atmosphere with large-scale seed vertical
vorticity. It is shown that convective motion in such an atmosphere transforms
into dust devils extremely fast. The strong vortical structure of the dust
devils can be formed in a few minutes or even in a fraction of a minute. The
formation process strongly depends on the convective instability growth rate
and horizontal vorticity.</p>
  </abstract>
      <kwd-group>
        <kwd>Meteorology and atmospheric dynamics (convective processes)</kwd>
      </kwd-group>
    </article-meta>
  </front>
<body>
      

<sec id="Ch1.S1" sec-type="intro">
  <title>Introduction</title>
      <p>Dust devils are upward spiralling vortices. They are common atmospheric
phenomena on Earth and Mars and, due to the presence of dust,
these vortices can be visible as miniature or small tornadoes. This phenomenon can have a
major impact on weather and climate and serve as nuclei of dust storms on
Mars.</p>
      <p>The main characteristics of dust devils have been analysed and collected in a
number of in situ measurements <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx1 bib1.bibx7 bib1.bibx16 bib1.bibx17 bib1.bibx19" id="paren.1"/>, as well as laboratory <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx4 bib1.bibx20" id="paren.2"/> and
numerical experiments <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx5 bib1.bibx6" id="paren.3"><named-content content-type="pre">e.g.</named-content></xref>. It is well known that
this phenomenon arises on sunny days when the superadiabatic lapse rate
occurs. The latter leads to convective instability in the planetary boundary
layer. This results in generation of convective cells with finite poloidal
(horizontal) vorticity <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx9 bib1.bibx10 bib1.bibx11 bib1.bibx12" id="paren.4"><named-content content-type="pre">e.g.</named-content></xref>.</p>
      <p>Numerous observations and laboratory experiments have revealed that dust
devils can be generated only in a convectively unstable atmosphere with large-scale seed vertical vorticity. Sinclair <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx17" id="paren.5"><named-content content-type="pre">e.g.</named-content></xref> has
analysed dust devil generation in the lee of small mountains. Based on the
analysis of observational results, he concluded that dust devils probably
arise due to a vortex embedding in the background flow together with
superadiabatic lapse rate.</p>
      <p>In such structures the dust grains are in contact with each other and,
therefore, via friction or triboelectric processes can generate electric
charges and related electric fields  <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx2 bib1.bibx3 bib1.bibx15" id="paren.6"/>. The electric forces near and within dust devils are coherent and
fairly strong, but nevertheless they are, as a rule, still small in
comparison with corresponding pressure gradients.</p>
      <p>The linear theory of dust devil generation, i.e. by assuming that the excited
small-scale vertical vorticity is smaller than external vorticity, has been
developed in <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx13 bib1.bibx14" id="normal.7"/>. One of the main
features of dust devil vortex generation refers to a strong increase in the
tangential speed and vertical vorticity within a few seconds or even a
fraction of a second. In this paper we study the nonlinear stage of dust
devil generation. We show that the vertical vorticity and the toroidal speed
in an unstably stratified atmosphere with large-scale seed vorticity rapidly
grows within a time of the order of the inverse convective instability growth
rate. Note that, in the present analysis, the dissipative processes (i.e.
viscosity, thermal conductivity, heat flow, etc.) are neglected. Moreover,
we disregard the effects of the dust component assuming that it plays a
passive role in vortex generation.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S2">
  <title>The model</title>
      <p>We consider the fluid motion in cylindrical geometry <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the
axially symmetric case <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The most general
divergence-free flow velocity <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi></mml:math></inline-formula> can be decomposed into its
poloidal <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and toroidal <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> parts, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, respectively. Here <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">∇</mml:mi><mml:mo>×</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the stream function:
          <disp-formula id="Ch1.E1" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>r</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="2em"/><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>r</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        According to <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx13 bib1.bibx14" id="normal.8"/> the equation
describing the nonlinear internal gravity waves in the approximation
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be written as
          <disp-formula id="Ch1.E2" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfenced><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>∗</mml:mo></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>r</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>J</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>∗</mml:mo></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the Brunt–Väisälä or buoyancy frequency
given by
          <disp-formula id="Ch1.E3" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the Jacobian, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the ratio of specific
heats, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the reduced height of atmosphere, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the
adiabatic sound velocity and
          <disp-formula id="Ch1.E4" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>∗</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>r</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        If <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E2"/>) describes the dynamics of convective
cells in an unstable atmosphere. An equation similar to Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E2"/>) has
been obtained previously by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx18" id="normal.9"/> for interpretation of
behaviour of acoustic gravity vortices.</p>
      <p>In this work we constrain the model stream function as
          <disp-formula id="Ch1.E5" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the vortex radius, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the growth rate of the
rising air, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a constant. By applying
the differential operator Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E4"/>) to the stream function Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E5"/>)  it is easy to obtain that
          <disp-formula id="Ch1.E6" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>∗</mml:mo></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">8</mml:mn><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="italic">ψ</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        Therefore, by taking into account Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E6"/>) the nonlinear term in
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E2"/>) is negligible in comparison with the linear terms if
          <disp-formula id="Ch1.E7" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mn>1.</mml:mn></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        In this approximation from Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E2"/>), it follows that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Thus, the function in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E5"/>) is a solution of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E2"/>) if the
condition in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E7"/>) is satisfied.</p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F1" specific-use="star"><caption><p>The normalized radial velocity <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as a function of
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and time <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.8</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, 4.0, 5.6, and 6.4 s. The <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> dependance is
shown for two separate radial intervals: <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn>0.2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (left) and
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (right).  </p></caption>
        <?xmltex \igopts{width=412.564961pt}?><graphic xlink:href="https://angeo.copernicus.org/articles/33/1343/2015/angeo-33-1343-2015-f01.pdf"/>

      </fig>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F2" specific-use="star"><caption><p>The normalized vertical velocity <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as a function of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and time
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.8</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, 4.0, 5.6, and 6.4 s. The <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> intervals are the same as for
Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F1"/>.
</p></caption>
        <?xmltex \igopts{width=412.564961pt}?><graphic xlink:href="https://angeo.copernicus.org/articles/33/1343/2015/angeo-33-1343-2015-f02.pdf"/>

      </fig>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F3" specific-use="star"><caption><p>The radial dependence of the vertical vorticity amplification factor <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the inner (left) and the outer region (right)
of the vortex.
</p></caption>
        <?xmltex \igopts{width=412.564961pt}?><graphic xlink:href="https://angeo.copernicus.org/articles/33/1343/2015/angeo-33-1343-2015-f03.pdf"/>

      </fig>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F4"><caption><p>The normalized toroidal velocity as a function of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the inner vortex region for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>50</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.1</mml:mn><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/></mml:mrow></mml:math></inline-formula>s<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>.
</p></caption>
        <?xmltex \igopts{width=199.169291pt}?><graphic xlink:href="https://angeo.copernicus.org/articles/33/1343/2015/angeo-33-1343-2015-f04.pdf"/>

      </fig>

      <p>Using Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E5"/>) the radial and vertical velocities can be
written as
          <disp-formula id="Ch1.E8" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        and
          <disp-formula id="Ch1.E9" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        From Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E8"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E9"/>), it follows that the poloidal vorticity at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≪</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is
          <disp-formula id="Ch1.E10" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        Thus, the parameter <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi></mml:math></inline-formula> corresponds to horizontal (poloidal)
vorticity for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the internal vortex region.
To investigate the evolution of the vertical (toroidal) vorticity <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> we make use of the following equation:
          <disp-formula id="Ch1.E11" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        which describes the interaction of vertical vorticity with poloidal motion.
We consider that in the vortex area there is a stationary large scale, with
characteristic scale <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>≫</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, vortex vorticity germ <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> when <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> when <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Here <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>h</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the vertical scale
due to the interaction of vortex with the ground surface,
          <disp-formula id="Ch1.E12" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced></mml:mfenced><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        and
          <disp-formula id="Ch1.E13" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced></mml:mfenced><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a constant. We assume that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> when <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> or <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, respectively. By substituting
expressions for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> into Eq. (11) one can obtain that
          <disp-formula id="Ch1.E14" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        and
          <disp-formula id="Ch1.E15" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        It is seen that in the internal vortex region at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and
when <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we have <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The vortex generation when
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and therefore <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
corresponds to the linear approximation which has been investigated before by
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx13 bib1.bibx14" id="normal.10"/>. In this article we study the
vertical vortex generation at arbitrary values <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and pay special
attention to the nonlinear stage of the vertical vorticity <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> generation
when in the internal vortex region <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
The vertical vorticity <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is related to tangential velocity <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by
relation
          <disp-formula id="Ch1.E16" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>r</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>r</mml:mi><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:msub></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        Thus the tangential velocity for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is as follows:
          <disp-formula id="Ch1.E17" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
          <disp-formula id="Ch1.E18" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">exp</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        Here,
          <disp-formula id="Ch1.Ex1"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        and
          <disp-formula id="Ch1.Ex2"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        are seeds of tangential velocities. To illustrate our results
we make use of observations from <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx8" id="normal.11"/>. We consider an air temperature
lapse rate of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:math></inline-formula> C m<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> that corresponds to characteristic temperature vertical
scale <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>150</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m and the growth rate <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.25</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> s<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>.
Figures <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F1"/> and <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F2"/> show the dependence of normalized
radial and vertical components of the velocity within the time interval
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/></mml:mrow></mml:math></inline-formula>s and when <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the radial domains <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn>0.2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> or <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn>2.0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Note that according to Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E9"/>) the
vertical velocity is proportional to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Figure <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F2"/> is plotted for
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Equations (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E8"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E10"/>) show that the poloidal
(horizontal) vorticity is proportional to the radial velocity <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>; therefore its dependence on the radial coordinate, and time is similar to
that in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In the intermediate domain <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mn>0.2</mml:mn><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn>2.0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where the
condition in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E7"/>) fails, the stream function in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E5"/>) is not a solution
of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E2"/>). In this case while solving Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E2"/>), the nonlinearity associated with the Jacobian should be
taken into account. Further
investigation of this nonlinearity in the region <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mn>0.2</mml:mn><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn>2.0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> will be
carried out elsewhere. Comparing the left and right panels of
Figs. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F1"/> and <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F2"/>, using interpolation behaviour of
velocities in the regions <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mn>0.2</mml:mn><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn>2.0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn>2.0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, one can
assume that for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≃</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the absolute values of the radial velocity and
the horizontal vorticity attain their maximum values. Then the vertical
component of the velocity, for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, vanishes and then changes
the sign.</p>
      <p>Figure <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F3"/> shows the amplification factor <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>F</mml:mi></mml:math></inline-formula> in the radial intervals the same  as in Figs. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F1"/> and <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F2"/>.
Note the strong, i.e. 10-times, increase of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>F</mml:mi></mml:math></inline-formula> from <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>5.6</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>6.4</mml:mn></mml:math></inline-formula> s in
the interior of the dust devil vortex, while in the external region (right
panel) the amplification factor <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>F</mml:mi></mml:math></inline-formula> remains close to the unity. Therefore,
the amplification of the vertical vorticity is concentrated in the internal part
of the vortex. Figure <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F4"/> indicates the normalized toroidal velocity in
the internal part. The example shows a factor-of-8 increase in the
toroidal velocity at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the time interval <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>6.4</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>5.6</mml:mn><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.8</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> s.</p>
      <p>For smaller temperature gradient with scale <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>300</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m we have <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.18</mml:mn><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mspace width="0.33em" linebreak="nobreak"/></mml:mrow></mml:math></inline-formula>s<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, and the behaviour of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> remains the
same. However, the former time interval <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/></mml:mrow></mml:math></inline-formula>s is enlarged to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">9</mml:mn><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/></mml:mrow></mml:math></inline-formula> s
following the condition <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p>In Figs. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F1"/>–<xref ref-type="fig" rid="Ch1.F4"/> we show the generation of dust devils in
the Earth atmosphere with its characteristic parameters. When applied to the
Martian atmosphere, these parameters will have other values; as a result,
the instability growth rate and spatial scales of generated dust devils will
be different. Nevertheless, the behaviour of radial velocity (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>),
vertical velocity (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), vertical vorticity (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), and toroidal
velocity (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) will remain same. Therefore,
Figs. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F1"/>–<xref ref-type="fig" rid="Ch1.F4"/> can also be used to illustrate the mechanism of
dust devil generation on Mars.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S3" sec-type="conclusions">
  <title>Conclusion</title>
      <p>In summary, the new nonlinear analysis developed here shows how an unstably
stratified atmosphere develops high-speed toroidal rotation from a large-scale seed vertical vorticity.
It is shown that convective cells in such a case can convert into
dust devil vortex structures extremely fast, more rapidly than simply
exponentially. From formulae (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E15"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E18"/>), it follows that the
vertical vorticity <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and toroidal velocity <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> grow as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. It is seen that, in the inner vortex region,
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, for moderate time domain <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">≳</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the
amplification factor shows explosive behaviour if <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">≳</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
</sec>

      
      </body>
    <back><ack><title>Acknowledgements</title><p>This research is partially supported by the
Program of the Russian Academy of Sciences No. 9, and by
RFBR through grants 14-05-00850 and 15-05-07623.
W. Horton  is supported by NSF grant no. 0964692 at the University of Texas at Austin and
the University of Aix-Marseille/CNRS. V. Fedun acknowledges the
financial support received from the Science and Technology Facilities Council (STFC), UK.<?xmltex \hack{\newline}?><?xmltex \hack{\hspace*{4mm}}?> The topical editor V. Kotroni thanks the three anonymous referees for help in evaluating this paper.</p></ack><ref-list>
    <title>References</title>

      <ref id="bib1.bibx1"><label>Balme and Greeley(2006)</label><mixed-citation>Balme, M. and Greeley, R.:
Dust devils on Earth and Mars,
Rev. Geophys., 44, RG3003,
<ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1029/2005RG000188" ext-link-type="DOI">10.1029/2005RG000188</ext-link>, 2006.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx2"><label>Farrell et al.(2004)</label><mixed-citation>Farrell, W. M., Smith, P. H., Delory, G. T., Hillard, G. B., Marshall, J. R., Catling, D.,
Hecht, M., Tratt, D. M., Renno, N., Desch, M. D., Cummer, S. A., Houser, J. G., and Johnson, B.:
Electric and magnetic signatures of dust devils from the 2000–2001 MATADOR desert tests,
J. Geophys. Res., 109,   E03004,
<ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1029/2003JE002088" ext-link-type="DOI">10.1029/2003JE002088</ext-link>, 2004.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx3"><label>Farrell et al.(2006)</label><mixed-citation>Farrell, W. M., Renno, N., Delory, G. T., Cummer, S. A., and Marshall, J. R.:
Integration of electrostatic and fluid dynamics within a dust devil,
J. Geophys. Res., 111,   E01006,
<ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1029/2005JE002527" ext-link-type="DOI">10.1029/2005JE002527</ext-link>, 2006.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx4"><label>Greeley et al.(2003)</label><mixed-citation>Greeley, R., Balme, M. R., Iversen, J. D., Metzger, S., Mickelson, R., Phoreman, J., and White, B.:
Martian dust devils: Laboratory simulations of particle threshold,
J. Geophys. Res.-Planets, 108,   5041,
<ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1029/2002JE001987" ext-link-type="DOI">10.1029/2002JE001987</ext-link>, 2003.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx5"><label>Gu et al.(2008)</label><mixed-citation>Gu, Z. L.,  Qiu, J., Zhao, Y. Z., and Li, Y.:
Simulation of terrestrial dust devil patterns,
Adv. Atmos. Sci., 25,   31–42
<ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1007/s00376-008-0031-7" ext-link-type="DOI">10.1007/s00376-008-0031-7</ext-link>, 2008.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx6"><label>Huang et al.(2008)</label><mixed-citation>Huang, N., Yue, G., and Zheng, X.:
Numerical simulations of a dust devil and the electric field in it,
J. Geophys. Res., 113, D20203,
<ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1029/2008JD010182" ext-link-type="DOI">10.1029/2008JD010182</ext-link>, 2008.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx7"><label>Leovy(2003)</label><mixed-citation>
Leovy, C..:
Mars The devil is in the dust,
Nature, 424, 6952, 1008–1009, 2003.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx8"><label>Oke et al.(2007)</label><mixed-citation>
Oke, A. M. C., Tapper, N. J., and Dunkerley, D.:
Willy willies in the Australian landscape: The role of key meteorological variables and
surface conditions in defining frequency and spatial characteristics, J. Arid Environ., 71, 201–215,
2007.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx9"><label>Onishchenko and Pokhotelov(2012)</label><mixed-citation>Onishchenko, O. and Pokhotelov, O.:
Generation of zonal structures by internal gravity waves in the Earth's atmosphere,
Dokl. Earth Sci., 445,   845–848,
<ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1134/S1028334X12070070" ext-link-type="DOI">10.1134/S1028334X12070070</ext-link>, 2012.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx10"><label>Onishchenko et al.(2013)</label><mixed-citation>Onishchenko, O., Pokhotelov, O., and Fedun, V.: Convective cells of internal
gravity waves in the earth's atmosphere with finite temperature gradient,
Ann. Geophys., 31, 459–462, <ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.5194/angeo-31-459-2013" ext-link-type="DOI">10.5194/angeo-31-459-2013</ext-link>, 2013.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx11"><label>Onishchenko et al.(2014a)</label><mixed-citation>Onishchenko, O. G., Pokhotelov, O. A. and Fedun, V.: Convection cells of
internal gravity waves in the terrestrial atmosphere, Dokl. Earth Sci., 454,
37–39, <ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1134/S1028334X14010036" ext-link-type="DOI">10.1134/S1028334X14010036</ext-link>, 2014a.
</mixed-citation></ref><?xmltex \hack{\newpage}?>
      <ref id="bib1.bibx12"><label>Onishchenko et al.(2014b)</label><mixed-citation>Onishchenko, O., Pokhotelov, O., Horton, W., Smolyakov, A., Kaladze, T., and
Fedun, V.: Rolls of the internal gravity waves in the Earth's atmosphere,
Ann. Geophys., 32, 181–186, <ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.5194/angeo-32-181-2014" ext-link-type="DOI">10.5194/angeo-32-181-2014</ext-link>, 2014b.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx13"><label>Onishchenko et al.(2014c)</label><mixed-citation>Onishchenko, O., Horton, W., Pokhotelov, O., and Stenflo, L.: Dust devil
generation, Phys. Scripta, 89, 075606, <ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1088/0031-8949/89/7/075606" ext-link-type="DOI">10.1088/0031-8949/89/7/075606</ext-link>,
2014c.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx14"><label>Onishchenko et al.(2015)</label><mixed-citation>Onishchenko, O. G., Pokhotelov, O. A., and Horton, W.: Dust devil dynamics in
the internal vortex region, Phys. Scripta, 90, 068004,
<ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1088/0031-8949/90/6/068004" ext-link-type="DOI">10.1088/0031-8949/90/6/068004</ext-link>, 2015.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx15"><label>Renno and Kok(2008)</label><mixed-citation>Renno, N. O. and Kok, J. F.: Electrical Activity and Dust Lifting on Earth,
Mars, and Beyond, Space Sci. Rev., 137, 419–434,
<ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1007/s11214-008-9377-5" ext-link-type="DOI">10.1007/s11214-008-9377-5</ext-link>, 2008.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx16"><label>Ryan and Carroll(1970)</label><mixed-citation>Ryan, J. A. and Carroll, J. J.: Dust devil wind velocities: Mature state, J.
Geophys. Res., 75, 531–541, <ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1029/JC075i003p00531" ext-link-type="DOI">10.1029/JC075i003p00531</ext-link>, 1970.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx17"><label>Sinclair(1969)</label><mixed-citation>Sinclair, P. C.: General Characteristics of Dust Devils, J. Appl. Meteorol., 8, 32–45, <ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1175/1520-0450(1969)008&lt;0032:GCODD&gt;2.0.CO;2" ext-link-type="DOI">10.1175/1520-0450(1969)008&lt;0032:GCODD&gt;2.0.CO;2</ext-link>,
1969.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx18"><label>Stenflo(1990)</label><mixed-citation>Stenflo, L.: Acoustic gravity vortices, Phys. Scripta, 41, 641–642,
<ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1088/0031-8949/41/5/001" ext-link-type="DOI">10.1088/0031-8949/41/5/001</ext-link>, 1990.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx19"><label>Thomas and Gierasch(1985)</label><mixed-citation>Thomas, P. C. and Gierasch, P. J.:
Dust devils on Mars,
Science, 230, 175–177,
<ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1126/science.230.4722.175" ext-link-type="DOI">10.1126/science.230.4722.175</ext-link>, 1985.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx20"><label>Zheng et al.(2003)</label><mixed-citation>Zheng, X. J., Huang, N., and Zhou, Y.:
Laboratory measurement of electrification of wind-blown sands and simulation of its effect on sand saltation movement,
J. Geophys. Res.-Atmos., 108,   4322–4331,
<ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1029/2002JD002572" ext-link-type="DOI">10.1029/2002JD002572</ext-link>, 2003.</mixed-citation></ref>

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

    </app></app-group></back>
    </article>
