Acta Univ. Agric. Silvic. Mendelianae Brun. 2006, 54(4), 21-32 | DOI: 10.11118/actaun200654040021

CITLIVOST RŮSTOVÝCH SIMULAČNÍCH MODELŮ NA VYPOČTENÉ HODNOTY GLOBÁLNÍHO SLUNEČNÍHO ZÁŘENÍ

Pavel Kapler1, Miroslav Trnka1, Zdeněk Žalud1, Josef Eitzinger2
1 Ústav agrosystémů a bioklimatologie, Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně, Zemědělská 1, 613 00 Brno, Česká republika
2 Universität für Bodenkultur Wien, Department Wasser, Atmosphäre und Umwelt (WAU), Gregor Mendel Straße 33, A-1180 Wien, Österreich

Vypočítané hodnoty energie globálního záření (RG) pro použití jako vstup do růstových modelů jsou zatíženy chybami, které mohou ovlivnit přesnost a kvalitu výstupů právě těchto růstových simulačních modelů. Byla provedena detailní analýza výskytu chyb za použití často užívaných růstových modelů CERES-Barley a CERES-Wheat a databáze meteorologických dat z osmi stanic reprezentujících hlavní výrobní oblasti České republiky a Rakouska. Bylo prokázáno, že nahrazení měřených hodnot RG - byť aplikací Met. (1) s nejnižší odchylkou - významně ovlivňuje klíčové parametry modelových výstupů. V 5-6 % případů lze očekávat odchylku vyšší než ±10 %, přičemž ani výskyt významnějších chyb (±25 %) není zanedbatelný. Při aplikaci metody založené na denním rozsahu teplot a oblačnosti (Met. (3)) je přesnost simulovaných výnosů a dalších výstupů modelů nižší, avšak stále akceptovatelná. V tomto případě se výskyt chyby nad ±10 % zvyšuje přibližně na 20 % případů (v závislosti na plodině), při zdvojnásobení pravděpodobnosti výskytu významné odchylky (±25 %) oproti Met. (1). Využití metod založených pouze na denním rozsahu teplot vzduchu pro účely předpovědi výnosů, popř. pro hodnocení vlivu klimatické změny, je sporné, neboť pravděpodobnost výskytu významných odchylek (stejně jako systematických chyb) je velmi vysoká.
Tato zjištění by měla být podnětem k dalšímu vývoji přesných a široce aplikovatelných metod odhadu denních úhrnů RG založených spíše na fyzikálních principech. Jednou z možností může být užití běžně měřených meteorologických prvků (např. teplota a tlak vodních par) v kombinaci s např. denní sumou srážek či průměrnou oblačností. Snížení nedostatků ve výpočtu hodnot RG by mělo vést ke zvýšení spolehlivosti všech následně aplikovaných výpočtů.

metody výpočtu globální radiace, růstové simulační modely, citlivostní analýza, výnos plodin

Crop model sensitivity to the estimated daily global solar radiation data

The results of the previous studies have suggested that the estimated RG values are loaded with an error, which might compromise the precision of the subsequent crop model applications. Therefore a detailed analysis of the error propagation was made using two crop models i.e. CERES-Barley and CERES-Wheat. Database of meteorological data originating from 8 stations in Austria and Czech Republic was used in order to carry out the analysis. It has been found that even application of the method based on sunshine duration that yield the lowest bias in RG estimates significantly influences number of key crop model outputs. It has been also noted that in 5-6 seasons out of 100 cases the deviation greater than ±10 % is to be expected whilst the occurrence of ±25% could not be also ruled out. The precision of the yield estimates and other crop model outputs is lower then expected but still acceptable for most application with mean bias error in range of 2.0-4.1% when estimates based on the diurnal temperature range and cloud cover are used. In this case yield deviations over ±10% occurred in about 20% cases (depending on the crop) whilst the probability of significant yield departure (±25%) doubled of that found for the previous method. The methods based on the diurnal temperature range and daily precipitation sum showed an increase of the systematic bias of yield of winter wheat and considerably higher number of seasons with yield departures over ±25%. Utilisation of the methods based on the diurnal temperature range only for the purposes of seasonal yield forecasting or climate change impact assessment is questionable as the probability of significant yield departure is very high (as well as the systematic error). These findings should act as an incentive to the further research aimed at development of more precise and widely applicable methods of estimating daily RG based more on the underlying physical principles and/or remote sensing approach. Overall decrease of the existing uncertainties in the RG estimates would clearly result into increase of the reliability of subsequent applications that use RG as input variable.

Keywords: global radiation, crop yields, sensitivity analysis, crop models, CERES-Barley, CERES-Wheat
Grants and funding:

Studie byla vypracována s podporou projektu GAČR 521/03/D059.

Received: January 11, 2006; Published: December 4, 2014  Show citation

ACS AIP APA ASA Harvard Chicago IEEE ISO690 MLA NLM Turabian Vancouver
Kapler, P., Trnka, M., Žalud, Z., & Eitzinger, J. (2006). Crop model sensitivity to the estimated daily global solar radiation data. Acta Universitatis Agriculturae et Silviculturae Mendelianae Brunensis, 54(4), 21-32. doi: 10.11118/actaun200654040021
Share...
Download citation
  • BibTeX (.bib)
  • Bookends (.ris)
  • EasyBib (.ris)
  • EndNote (.enw)
  • EndNote 8 (.xml)
  • ISI WoS (.isi)
  • Medlars (.medlars)
  • Mendeley (.ris)
  • MODS (.xml)
  • Papers (.ris)
  • RefWorks (.txt)
  • RefManager (.ris)
  • RIS (.ris)
  • MS Word (.xml)
  • Zotero (.ris)
    • Open full article

    References

    1. AGGARWAL, P. K.: Uncertainties in crop, soil and weather inputs used in growth models implications for simulated outputs and their applications. Agricultural systems, 1995, 48, 361-384. DOI: 10.1016/0308-521X(94)00018-M Go to original source...
    2. ÅNGSTRÖM, A.: Solar and terrestrial radiation. Q.J.R. Meteorol. Soc., 1924, 50, 121-125. DOI: 10.1002/qj.49705021008 Go to original source...
    3. BROWN, A. R., ROSENBERG, N. J.: Sensitivity of crop yield and water use to chang in a range of climatic factors and CO2 concentrations: a simulation study applying EPIC to the central USA. 1997. Go to original source...
    4. DE JONG, R., STEWART, D. W.: Estimating global solar radiation from common meteorological observations in western Canada. Can. J. Plant. Sci., 1993, 73, 509-518. DOI: 10.4141/cjps93-068 Go to original source...
    5. DONATELLI, M., CAMPBELL, G. S.: A simple method to estimate global radiation. Proceedings of the 5th ESA conference, Nitra, 1998, 133-134.
    6. DUBROVSKÝ, M.: Creating Daily Weather Series With Use of the Weather Generator. Environmetrics, 1997, 8, 409-424. DOI: 10.1002/(SICI)1099-095X(199709/10)8:53.0.CO;2-0 Go to original source...
    7. DUBROVSKÝ, M., NEMEŠOVÁ, I., KALVOVÁ, J.: Uncertainties in Climate Change Scenarios for the Czech Republic. Climate Research (in press), 2004. Go to original source...
    8. EITZINGER, J., TRNKA, M., HÖSCH, J., ŽALUD, Z., DUBROVSKÝ, M.: Comparison of CERES, WOFOST and SWAP models in simulating soil water content during growing season under different soil conditions. Ecological Modelling, 2004, Volume 171, Issue 3, pp.223-246. Go to original source...
    9. GODWIN, D. C., RITCHIE, J. T., SINGH, U., HUNT, L.: A User's Guide to CERES Wheat V2.10. International Fertilizer Development Center, Muscle Shoals, AL, 1989.
    10. HARGREAVES, G. L., HARGREAVES, G. H., RILEY, P.: Irrigation water requirement for the Senegal River Basin. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 1985, ASCE 111, 265-275. Go to original source...
    11. HOOGENBOOM, G., JONES, J. W., WILKENS, P. W., BATCHELOR, W. D., BOWEN, W. T., HUNT, L. A., PICKERING, N. B., SINGH, U., GODWIN, D. C., BEAR, B., BOOTE, K. J., RITCHIE, J. T., WHITE, J. W.: Crop models, DSSAT Version 3.0. International Benchmark Sites Network for Agrotechnology Transfer, University of Hawaii, Honolulu, 1994, 692 pp.
    12. HUNT, L. A., KUCHAR, L., SWANTON, C. J.: Estimation of solar radiation for use in crop modelling. Agric. For. Meteorol., 1998, 91, 293-300. DOI: 10.1016/S0168-1923(98)00055-0 Go to original source...
    13. KAPLER, P.: Metody výpočtu globální radiace. Diplomová práce, MZLU Brno, 2003.
    14. KLABZUBA, J., BUREŠ, R., KOŽNAROVÁ, V.: Model výpočtu denních sum globálního záření pro použití v růstových modelech. Proceedings of the "Bioklimatologické pracovné dni", Zvolen, 1999, 121-122.
    15. LINDSEY, S. D., FARNSWORTH, R. K.: Sources of solar radiation estimates and their effect on daily potential evaporation for use in streamflow modelling. J. Hydrol., 1997, 201, 348-366. DOI: 10.1016/S0022-1694(97)00046-2 Go to original source...
    16. LLASAT, M. C., SNYDER, R. L.: Data error effect on net radiation and evapotranspiration estimation. Agric. For. Meteorol., 1998, 91, 209-221. DOI: 10.1016/S0168-1923(98)00070-7 Go to original source...
    17. NONHEBEL, S.: The importance of weather data in crop growth simulation models and assessment of climate change effects. Ph.D. Thesis, Wageningen Agriculture University, 1993, 144 pp.
    18. OTTER-NACKE, S., RITCHIE, J. T., GODWIN, D. C., SINGH, U.: A user's guide to CERES-BarleyV2.10. International Fertilizer Development Center Simulation manual, 1991, IFDC-SM-3. 87 pp.
    19. PRESCOTT, J. A.: Evaporation from a water surface in relation to solar radiation. Trans. R. Soc. South Australia, 1940, 64, 114-118.
    20. RIVINGTON, M., MATTHEWS, K. B., BUCHAN, K.: A comparison of methods for providing solar radiation data to crop models and decision support systems. 1st biennial meeting of the International Environmental Modelling and Software Society, 24-27 June, Lugano, Switzerland, 2002, 3, 193-198.
    21. SUPIT, I., VAN KAPPEL, R. R.: A simple method to estimate global radiation. Solar Energy, 1998, 63, 147-160. DOI: 10.1016/S0038-092X(98)00068-1 Go to original source...
    22. THORTON, P. E., RUNNING, S. W.: An improved algorithm for estimating incident daily solar radiation from measurements of temperature, humidity and precipitation. Agric. For. Meteorol., 1999, 93, 211-228. DOI: 10.1016/S0168-1923(98)00126-9 Go to original source...
    23. TRNKA, M., DUBROVSKÝ, M., ŽALUD, Z.: Climate change impacts and adapation strategies in spring barley production in the Czech Republic. Climatic Change, 2004, Vol. 64, 227-255. DOI: 10.1023/B:CLIM.0000024675.39030.96 Go to original source...
    24. TRNKA, M., ŽALUD, Z., EITZINGER, J., DUBROVSKÝ, M.: Quantification of uncertainties introduced by selected methods for daily global solar radion estimation. Agic. For. Meteorol., 2005, Vol. 131, 54-76. DOI: 10.1016/j.agrformet.2005.05.002 Go to original source...
    25. WINSLOW, J. C., HUNT, E. R., PIPER, S. C.: A globally applicable model of daily solar irradiance estimated from air temperature and precipitation data. Ecol. Modelling, 2001, 143, 227-243. DOI: 10.1016/S0304-3800(01)00341-6 Go to original source...
    26. WYSER, K., O'HIROK, W., GAUTIER, C., JONES, C.: Remote sensing of surface solar irradiance with correction for 3D cloud effect. Remote Sensing of Environment, 2002, 80, 272-284. DOI: 10.1016/S0034-4257(01)00309-1 Go to original source...
    27. XIE, Y., KINIRY, J. R., WILLIAMS, J. R.: The ALMANAC model's sensitivity to input variables, Agricultural Systems, 2003, 78, 1-16. DOI: 10.1016/S0308-521X(03)00002-7 Go to original source...

    This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License (CC BY NC ND 4.0), which permits non-comercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original publication is properly cited. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.


    Return to the content