Temperature and precipitation effects on wheat yield across a European transect: a crop model ensemble analysis using impact response surfaces

This study explored the utility of the impact response surface (IRS) approach for investigating model ensemble crop yield responses under a large range of changes in climate. IRSs of spring and winter wheat Triticum aestivum yields were constructed from a 26-member ensemble of process-based crop simulation models for sites in Finland, Germany and Spain across a latitudinal transect. The sensitivity of modelled yield to systematic increments of changes in temperature (-2 to +9°C) and precipitation (-50 to +50%) was tested by modifying values of baseline (1981 to 2010) daily weather, with CO2 concentration fixed at 360 ppm. The IRS approach offers an effective method of portraying model behaviour under changing climate as well as advantages for analysing, comparing and presenting results from multi-model ensemble simulations. Though individual model behaviour occasionally departed markedly from the average, ensemble median responses across sites and crop varieties indicated that yields decline with higher temperatures and decreased precipitation and increase with higher precipitation. Across the uncertainty ranges defined for the IRSs, yields were more sensitive to temperature than precipitation changes at the Finnish site while sensitivities were mixed at the German and Spanish sites. Precipitation effects diminished under higher temperature changes. While the bivariate and multi-model characteristics of the analysis impose some limits to interpretation, the IRS approach nonetheless provides additional insights into sensitivities to inter-model and inter-annual variability. Taken together, these sensitivities may help to pinpoint processes such as heat stress, vernalisation or drought effects requiring refinement in future model development.

Spatial and temporal characteristics of summer precipitation over Central Europe in a suite of high-resolution climate models

High-impact, localized intense rainfall episodes represent a major socio-economic problem for societies worldwide, and at the same time these events are notoriously difficult to simulate properly in climate models. Here, the authors investigate how horizontal resolution and model formulation influence this issue by applying the HARMONIE regional climate model (HCLIM) with three different setups; two using convection parameterization at 15 and 6.25 km horizontal resolution (the latter within the “grey-zone” scale), with lateral boundary conditions provided by ERA-Interim reanalysis and integrated over a pan-European domain, and one with explicit convection at 2 km resolution (HCLIM2) over the Alpine region driven by the 15 km model. Seven summer seasons were sampled and validated against two high-resolution observational data sets. All HCLIM versions underestimate the number of dry days and hours by 20-40%, and overestimate precipitation over the Alpine ridge. Also, only modest added value were found of “grey-zone” resolution. However, the single most important outcome is the substantial added value in HCLIM2 compared to the coarser model versions at sub-daily time scales. It better captures the local-to-regional spatial patterns of precipitation reflecting a more realistic representation of the local and meso-scale dynamics. Further, the duration and spatial frequency of precipitation events, as well as extremes, are closer to observations. These characteristics are key ingredients in heavy rainfall events and associated flash floods, and the outstanding results using HCLIM in convection-permitting setting are convincing and encourage further use of the model to study changes in such events in changing climates.

Impacts of the Madden-Julian oscillation on intraseasonal precipitation over northeast Brazil

Este estudo tem como objetivo investigar os impactos da oscilação de Madden-Julian (OMJ) na precipitação da região Nordeste do Brasil (NEB). Para tanto foram utilizados dados diários de precipitação baseados em 492 pluviômetros distribuídos na região e cobrindo um período de 30 anos (1981 − 2010). As análises através de composições de anomalias de precipitação, radiação de onda longa e fluxo de umidade, foram obtidas com base no índice da OMJ desenvolvido por Jones-Carvalho. Para distinguir o sinal da OMJ de outros padrões de variabilidade climática, todos os dados diários foram filtrados na escala de 20 − 90 dias; portanto somente dias classificados como eventos da OMJ foram considerados nas composições. Uma análise preliminar baseada apenas nos dados de precipitação foi feita para uma pequena área localizada no interior semiárido do NEB, conhecida como Seridó. Essa microrregião é uma das áreas mais secas do NEB e foi reconhecida pela Convenção das Nações Unidas para o Combate à Desertificação e Mitigação dos Efeitos das Secas como particularmente vulnerável à desertificação. Composições de anomalias de precipitação foram feitas para cada uma das oito fases da OMJ durante Fevereiro-Maio (principal período chuvoso da microrregião). Os resultados mostraram a existência de variações significativas nos padrões de precipitação (de precipitação excessiva à deficiente) associados à propagação da OMJ. A combinação dos sinais de precipitação obtidos durantes as fases úmidas e secas da OMJ mostrou que a diferença corresponde cerca de 50 − 150% de modulação das chuvas na microrregião. Em seguida, uma investigação abrangente sobre o papel da OMJ sobre toda a região Nordeste foi feita considerando-se as quatro estações do ano. Os resultados mostraram que os impactos da OMJ na precipitação intrassazonal do NEB apresentam forte sazonalidade. A maior coerência espacial dos sinais de precipitação ocorreram durante o verão austral, quando cerca de 80% das estações pluviométricas apresentaram anomalias positivas de precipitação durante as fases 1 − 2 da OMJ e anomalias negativas de precipitação nas fases 5 − 6 da oscilação. Embora impactos da OMJ na precipitação intrassazonal tenham sido encontrados na maioria das localidades e em todas as estações do ano, eles apresentaram variações na magnitude dos sinais e dependem da fase da oscilação. As anomalias de precipitação do NEB observadas são explicadas através da interação existente entre as ondas de Kelvin-Rossby acopladas convectivamente e as características climáticas predominantes sobre a região em cada estação do ano. O aumento de precipitação observado sobre a maior parte do NEB durante o verão e primavera austrais encontra-se associado com o fluxo de umidade de oeste (regime de oeste), o qual favorece a atividade convectiva em amplas áreas da América do Sul tropical. Por outro lado, as anomalias de precipitação durante o inverno e outono austrais apresentaram uma variabilidade espacial mais complexa. Durante estas estações, as anomalias de precipitação observadas nas estações localizadas na costa leste do NEB dependem da intensidade do anticiclone do Atlântico Sul, o qual é modulado em grande parte por ondas de Rossby. As características topográficas do NEB parecem desempenhar um papel importante na variabilidade observada na precipitação, principalmente nestas áreas costeiras. A intensificação do anticiclone aumenta a convergência dos ventos alísios na costa contribuindo para a ocorrência de precipitação observada à barlavento do planalto da Borborema. Por outro lado, o aumento da subsidência parece ser responsável pelos déficits de precipitação observados à sotavento. Tais condições mostraram-se típicas durante o predomínio do regime de leste sobre a região tropical da América do Sul e o NEB, durante o qual ocorre uma diminuição no fluxo de umidade proveniente da Amazônia.