Global gridded crop models (GGCMs) simulate daily crop growth by explicitly representing key biophysical processes and project end-of-season yield time series. They are a primary tool to quantify the impacts of climate change on agricultural productivity and assess associated risks for food security. Despite decades of development, state-of-the-art GGCMs still have substantial uncertainties in simulating complex biophysical processes due to limited process understanding. Recently, machine learning approaches trained on observational data have shown great potential in crop yield predictions. However, these models have not demonstrated improved performance over classical GGCMs and are not suitable for simulating crop yields under changing climate conditions due to problems in generalizing outside their training distributions. Here we introduce NeuralCrop, a hybrid GGCM that combines the strengths of an advanced process-based GGCM, resolving important processes explicitly, with data-driven machine learning components. The model is first trained to emulate a competitive GGCM before it is fine-tuned on observational data. We show that NeuralCrop outperforms state-of-the-art GGCMs across site-level and large-scale cropping regions. Across moisture conditions, NeuralCrop reproduces the interannual yield anomalies in European wheat regions and the US Corn Belt more accurately during the period from 2000 to 2019 with particularly strong improvements under drought extremes. When generalizing to conditions unseen during training, NeuralCrop continues to make robust projections, while pure machine learning models exhibit substantial performance degradation. Our results show that our hybrid crop modelling approach offers overall improved crop modeling and more reliable yield projections under climate change and intensifying extreme weather conditions.


翻译:全球网格化作物模型通过显式表征关键生物物理过程来模拟作物逐日生长,并预测季末产量时间序列。该模型是量化气候变化对农业生产力的影响及评估粮食安全相关风险的主要工具。尽管经过数十年发展,由于对过程机理的理解有限,最先进的全球网格化作物模型在模拟复杂生物物理过程时仍存在显著不确定性。近期,基于观测数据训练的机器学习方法在作物产量预测方面展现出巨大潜力。然而,这些模型尚未表现出优于经典全球网格化作物模型的性能,且因在训练分布外泛化能力不足,难以适用于气候变化条件下的产量模拟。本文提出NeuralCrop——一种融合先进过程驱动型全球网格化作物模型(显式解析重要过程)与数据驱动机器学习组件的混合模型。该模型首先通过模拟高性能全球网格化作物模型进行训练,随后基于观测数据进行微调。研究表明,NeuralCrop在站点尺度和大规模种植区域的预测性能均优于当前最先进的全球网格化作物模型。在不同水分条件下,该模型在2000年至2019年间更准确地再现了欧洲小麦产区与美国玉米带的年际产量异常,尤其在极端干旱条件下改进显著。当泛化至训练未见条件时,NeuralCrop仍能保持稳健的预测能力,而纯机器学习模型则出现明显的性能退化。我们的结果表明,这种混合作物建模方法能够整体提升作物模拟精度,并为气候变化与极端天气加剧背景下的产量预测提供更可靠的科学依据。

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