Back to report · Publisher record

Müller et al. (2024). Substantial Differences in Crop Yield Sensitivities Between Models Call for Functionality‐Based Model Evaluation

Page 1

Figures and page graphics, page 1

Substantial Differences in Crop Yield Sensitivities Between
Models Call for Functionality‐Based Model Evaluation

Christoph Müller

1

, Jonas Jägermeyr

1,2,3

, James A. Franke

4

, Alex C. Ruane

2

, Juraj Balkovic

5

,

Philippe Ciais

6

, Marie Dury

7

, Pete Falloon

8,9

, Christian Folberth

5

, Tobias Hank

10

,

Munir Hoffmann

11

, R. Cesar Izaurralde

12

, Ingrid Jacquemin

7

, Nikolay Khabarov

13

,

Wenfeng Liu

14,15

, Stefan Olin

16

, Thomas A. M. Pugh

16,17,18

, Xuhui Wang

19

,

Karina Williams

8,20

, Florian Zabel

10,21

, and Joshua W. Elliott

22

1

Potsdam Institute for Climate Impact Research, Member of the Leibniz Association, Potsdam, Germany,

2

NASA Goddard

Institute for Space Studies, New York, NY, USA,

3

Columbia Climate School, Center for Climate Systems Research, New

York, NY, USA,

4

Department of Geophysical Sciences, University of Chicago, Chicago, IL, USA,

5

Biodiversity and

Natural Resources Program, International Institute for Applied Systems Analysis, Laxenburg, Austria,

6

Laboratoire des

Sciences du Climat et de l’Environnement, CEA‐CNRS‐UVSQ, Gif‐sur‐Yvette, France,

7

Unité de Modélisation du Climat

et des Cycles Biogéochimiques, UR SPHERES, Institut d’Astrophysique et de Géophysique, University of Liège, Liège,
Belgium,

8

Met Office Hadley Centre, Exeter, UK,

9

School of Biology, University of Bristol, Bristol, UK,

10

Department of

Geography, Ludwig‐Maximilians‐Universität, Munich, Germany,

11

Tropical Plant Production and Agricultural Systems

Modelling (TROPAGS), Georg‐August‐University Goettingen, Goettingen, Germany,

12

Department of Geographical

Sciences, University of Maryland, College Park, MD, USA,

13

Advancing Systems Analysis Program, International Institute

for Applied Systems Analysis, Laxenburg, Austria,

14

Center for Agricultural Water Research in China, College of Water

Resources and Civil Engineering, China Agricultural University, Beijing, China,

15

State Key Laboratory of Efficient

Utilization of Agricultural Water Resources, Beijing, China,

16

Department of Physical Geography and Ecosystem Science,

Lund University, Lund, Sweden,

17

School of Geography, Earth & Environmental Science, University of Birmingham,

Birmingham, UK,

18

Birmingham Insititute of Forest Research, University of Birmingham, Birmingham, UK,

19

Sino‐

French Institute for Earth System Science, College of Urban and Environmental Sciences, Peking University, Beijing,
China,

20

Global Systems Institute, University of Exeter, Exeter, UK,

21

Department of Environmental Sciences, University

of Basel, Basel, Switzerland,

22

Federation of American Scientists, Washington, DC, USA

Abstract

Crop models are often used to project future crop yield under climate and global change and

typically show a broad range of outcomes. To understand differences in modeled responses, we analyzed
modeled crop yield response types using impact response surfaces along four drivers of crop yield: carbon
dioxide (C), temperature (T), water (W), and nitrogen (N). Crop yield response types help to understand
differences in simulated responses per driver and their combinations rather than aggregated changes in yields as
the result of simultaneous changes in various drivers. We find that models' sensitivities to the individual drivers
are substantially different and often more different across models than across regions. There is some agreement
across models with respect to the spatial patterns of response types but strong differences in the distribution of
response types across models and their configurations suggests that models need to undergo further scrutiny. We
suggest establishing standards in model evaluation based on emergent functionality not only against historical
yield observations but also against dedicated experiments across different drivers to analyze emergent
functional patterns of crop models.

Plain Language Summary

Crop models are widely used to compute crop yields under future climate

change. Yields are determined by many interacting processes. Simulated future crop yields often show a broad
uncertainty range. We investigate the sensitivity of nine different crop models to individual model inputs
(carbon dioxide, temperature, water, nitrogen) in a very large simulation data set and find that there are
substantial differences. We conclude that crop model evaluation needs to include analyses of functional
properties to avoid that very diverse model responses to drivers are not tracked if interacting processes cancel
out in the historical evaluation period but not in future scenarios, leading to large differences between models.

1. Introduction

Crop models are often employed to project crop yields under changing conditions such as global warming and
associated management change for adaptation (Jägermeyr et al.,

2021

). Multi‐model ensembles are promoted to

enhance the robustness of projections (Asseng et al.,

2015

; Martre et al.,

2015

), but questions remain on what

RESEARCH ARTICLE

10.1029/2023EF003773

Key Points:

•

Crop models show strong differences
in input sensitivities

•

Standardized modeling experiments
reveal differences in emergent
functional relationships

•

New standards in model evaluation are
needed

Supporting Information:

Supporting Information may be found in
the online version of this article.

Correspondence to:

C. Müller,

christoph.mueller@pik-potsdam.de

Citation:

Müller, C., Jägermeyr, J., Franke, J. A.,
Ruane, A. C., Balkovic, J., Ciais, P., et al.
(2024). Substantial differences in crop
yield sensitivities between models call for
functionality‐based model evaluation.

Earth's Future

,

12

, e2023EF003773.

https://doi.org/10.1029/2023EF003773

Received 2 MAY 2023
Accepted 21 FEB 2024

Author Contributions:

Conceptualization:

Jonas Jägermeyr,

Alex C. Ruane, Joshua W. Elliott

Data curation:

Jonas Jägermeyr, Alex

C. Ruane, Juraj Balkovic, Philippe Ciais,
Marie Dury, Pete Falloon,
Christian Folberth, Tobias Hank,
Munir Hoffmann, R. Cesar Izaurralde,
Ingrid Jacquemin, Nikolay Khabarov,
Wenfeng Liu, Stefan Olin, Thomas
A. M. Pugh, Xuhui Wang,
Karina Williams, Florian Zabel, Joshua
W. Elliott

Software:

James A. Franke

Writing – review & editing:

Jonas Jägermeyr, James A. Franke, Alex
C. Ruane, Juraj Balkovic, Philippe Ciais,
Marie Dury, Pete Falloon,
Christian Folberth, Tobias Hank,
Munir Hoffmann, R. Cesar Izaurralde,
Ingrid Jacquemin, Nikolay Khabarov,

© 2024 The Authors. Earth's Future
published by Wiley Periodicals LLC on
behalf of American Geophysical Union.
This is an open access article under the
terms of the

Creative Commons

Attribution

License, which permits use,

distribution and reproduction in any
medium, provided the original work is
properly cited.

MÜLLER ET AL.

1 of 21

Page 2

Figures and page graphics, page 2

causes often large differences between projections of individual models (e.g., Jägermeyr et al.,

2021

; Müller

et al.,

2021

; E. Wang et al.,

2022

). Global Gridded Crop Models (GGCMs) are especially exposed to this question

when applied for assessing climate change impacts (Jägermeyr et al.,

2021

; Schleussner et al.,

2018

), adaptation

(Franke et al.,

2022

; Minoli et al.,

2019

; Zabel et al.,

2021

), or environmental impacts of agricultural production

(W. Liu et al.,

2018

), because their results are used in downstream analyses, such as in integrated assessment

(Ruane et al.,

2017

) or economic modeling for projecting future land‐use change (Stevanović et al.,

2016

; Wiebe

et al.,

2015

). Even though global gridded crop models are often based on detailed field‐scale models or have

implemented similar modeling principles in other ecosystem models (Müller et al.,

2019

) and show similar

performance in evaluation against historical, national yield statistics (Franke et al.,

2020a

,

2020b

; Müller

et al.,

2017

), models are subject to substantial uncertainties from both model structure and parametrization

(Folberth et al.,

2019

) as well as from calibration and input data quality (Ruane et al.,

2021

). This uncertainty

shows most prominently in future projections under high‐emission climate change scenarios, where models are
exposed to driving data far outside the evaluation domain and results show large inter‐model differences
(Jägermeyr et al.,

2021

; Müller et al.,

2021

; Rosenzweig et al.,

2014

).

Climatic conditions (D. Liu et al.,

2020

) and soil properties (Qiao et al.,

2022

) determine yield potentials (Mauser

et al.,

2009

; van Ittersum et al.,

2013

) and the suitability of different technologies, such as cultivars (Couëdel

et al.,

2021

). Areas with similar climate and soil conditions show similar yield responses to variations in weather

conditions, which can be monitored and reported using representative sites (Gommes et al.,

2016

). D. Liu

et al. (

2020

) have identified the most limiting climate variable(s) across global crop production areas, finding that

temperature has generally a higher impact on crop yields than precipitation for maize, rice, soybean, and wheat.
Climate change is projected to alter climate conditions in many agricultural regions substantially (Franke
et al.,

2022

; Jägermeyr et al.,

2021

; Ruane et al.,

2018

). Kummu et al. (

2021

), for example, find that substantial

shares of these areas may be driven out of a climatic envelope suitable for agricultural production. Projections of
future climate change demonstrate high levels of agreement on global mean temperature trajectories for given
forcing scenarios, such as the “Shared Socioeconomic Pathways with Representative Concentration Pathways”
(SSP‐RCPs) framework (Tebaldi et al.,

2021

), but are subject to high levels of uncertainties when it comes to

spatial and seasonal changes in temperatures and especially precipitation (e.g., Hawkins & Sutton,

2011

; Monerie

et al.,

2020

; Wu et al.,

2022

). Analyzing the sensitivity of cropping systems to changes in individual climate

variables can thus help understand their fragility under changing climate.

Process‐based crop models are widely accepted tools to project crop yields under changing climatic or man-
agement conditions and can help to inform decision making in direct or indirect ways. Crop models are employed
at field to global scale and a large variety of crop models exists (e.g., Asseng et al.,

2019

; Müller et al.,

2017

).

Model intercomparison projects, such as the Agricultural Model Intercomparison and Improvement Project
AgMIP (Rosenzweig et al.,

2013

) have shed light on the inter‐model uncertainty (Asseng et al.,

2015

; Palosuo

et al.,

2011

; Rosenzweig et al.,

2014

; Ruane et al.,

2017

), leading to and following up on a call for a general

overhaul of crop models (Rötter et al.,

2011

). Model development efforts since have led to various improvements

of crop models (e.g., T. Li et al.,

2017

; Maiorano et al.,

2017

; Olin et al.,

2015

; von Bloh et al.,

2018

),

disagreement between individual crop models remains high (Asseng et al.,

2019

; Jägermeyr et al.,

2021

; Kostková

et al.,

2021

; Müller et al.,

2021

).

Local environmental conditions determine how individual crops are affected by changes in individual drivers.
However, owing to the multiple interactions of drivers and processes in yield formation (Schauberger et al.,

2016

)

and the incomplete implementation of processes in crop models (Boote et al.,

2013

), models can be expected to

differ in crop yield projections and sensitivities to individual drivers. Still, regions with severe drought conditions
should show substantial sensitivity to changes in water supply and regions with very little nitrogen availability
should be sensitive to changes in nitrogen inputs. AgMIP's Global Gridded Crop Model Intercomparison
(GGCMI) has set out to intercompare GGCMs in order to evaluate model performance, describe model un-
certainties, identify inconsistencies within the ensemble and underlying reasons, and to ultimately improve
models and modeling capacities (Elliott et al.,

2015

). The GGCMI Phase 2 experiment provides simulation data

from a large, structured simulation experiment with regular perturbations of four different drivers of yield for-
mation (atmospheric carbon dioxide concentrations (C), temperature (T), water (W), and nitrogen(N)), referred to
as CTWN. The CTWN experiment is very well suited to study models' responses to changes in individual or
combined driver dimensions. Modeled yield responses to such regular perturbations in drivers can be used to
describe crop yield response types, which vary in space (water is a more important driver in arid environments

Wenfeng Liu, Stefan Olin, Thomas
A. M. Pugh, Xuhui Wang,
Karina Williams, Florian Zabel

Earth's Future

10.1029/2023EF003773

MÜLLER ET AL.

2 of 21

 23284277, 2024, 3, Downloaded from https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2023EF003773 by CochraneAustria, Wiley Online Library on [14/03/2024]. See the Terms and Conditions (https://onlinelibrary.wiley.com/terms-and-conditions) on Wiley Online Library for rules of use; OA articles are governed by the applicable Creative Commons License

Page 3

Figures and page graphics, page 3

than in humid ones) and among models. If there were no model uncertainty, crop yield response types would
determined by genotype, environment and management (G

×

E

×

M) characteristics of each farming system and

could be identified with a single crop model. Under given model uncertainty, crop yield response types are,
however, a function of the local cropping conditions, but also of model design, functionality, and parameteri-
zation (Folberth et al.,

2019

). Consequently, crop yield response types can describe differences in model behavior

and spatial disagreement and can thus help identifying functional differences between models that can guide
further model development. Tao et al. (

2020

) conducted a model intercomparison study with eight barley models

for two sites and eight different simulation settings, combining offsets in air temperature, precipitation, irradiation
and atmospheric CO

2

. They find that the models' disagreement from different sensitivities to changes in tem-

peratures and CO

2

was largest and could identify modeled dynamics of leaf area index as a process that is

responsible for model divergence with respect to simulated evapotranspiration, above ground biomass, and yield.
In this study, we are conducting a global analysis of GGCMs sensitivities to individual drivers of crop yields,
deriving classes of model response types that allow for intercomparing models and regions, aiming to better
understand sources of uncertainties in future crop yield projections with crop models.

2. Methods

2.1. The GGCMI Phase 2 Model Output Data Set

The GGCMI Phase 2 experiment is a structured input sensitivity test (Franke et al.,

2020a

,

2020b

) with a modeling

protocol that asked for up to 1,404 31‐year global simulations at 0.5 arc‐degree spatial resolution to assess models'
sensitivities to changes in atmospheric carbon dioxide concentrations (C; 4 levels) temperature (T; 7 absolute
offset levels, including zero), water supply (W; 9 relative offset levels, including zero), and nitrogen (N; 3 levels),
the so‐called CTWN experiment (see Table

A1

) (Franke et al.,

2020a

,

2020b

). A fifth dimension in the CTWN

Experiment on Adaptation (A) was not considered here, that is, we only used the simulation sets that assumed no
change in cultivars (

n

=

756). Previous work has used emulators trained on the CTWN experiment (Franke

et al.,

2020a

,

2020b

) to explore the contribution from crop models to overall uncertainty in crop yield projections

driven by climate change projections (Müller et al.,

2021

) and to explore the role of adaptation to future agri-

cultural production (Zabel et al.,

2021

) and the latitudinal shifts in breadbasket regions (Franke et al.,

2022

). We

also focused on rainfed growing conditions only, ignoring the settings with unlimited irrigation (

W

inf

). Of the 12

participating modeling groups, only four supplied all 756 simulation sets (EPIC‐TAMU, LPJ‐GUESS, LPJmL,
and pDSSAT), but five additional modeling groups provided sufficient data to allow for emulation of their yield
responses (CARAIB, GEPIC, JULES, PEPIC, and PROMET) and we used the emulators that were build on these
simulations (Franke et al.,

2020a

,

2020b

) to gap‐fill missing simulation sets that were not provided. The

remaining models (APSIM‐UGOE, EPIC‐IIASA, and ORCHIDEE‐crop) are only shown here in the overview
figure for completeness, but are not included in the following analyses. The scarcity of simulations provided by
these modeling teams (33–44 of 756, see Table

1

) does not allow for in‐depth analysis and also led to exclusion of

these models from the emulator training (Franke et al.,

2020a

,

2020b

). The GGCMs' baseline simulations

(C

=

360, T

=

0, W

=

0 for rainfed and W

=

inf for irrigated,

N

=

200) have been used to evaluate model

performance, even though uniform N application rates and atmospheric CO

2

concentrations of 360 ppm are not

realistic representations of the current systems. Despite the uniform management assumption, Franke
et al. (

2020a

,

2020b

) show that the GGCMI Phase 2 model ensemble is capable of reproducing some of the

observed yield variability, especially in top‐producer countries (see reproduced Figure

S2

in the Supplementary

Information), but also at the global aggregation level (Figures

S3–S6

in the Supplementary Information).

GGCMs' skills in reproducing observed yield variability at the grid‐cell level varies across GGCMs and crops but
shows roughly similar skill to the GGCMI Phase 1 model ensemble tested by Müller et al. (

2017

).

2.2. Data Analysis

The analysis conducted here aims at understanding differences in models' sensitivities of simulated crop yield (

y

)

to the CTWN drivers across crops and regions as well as understanding differences among models. We considered
current crop‐specific cropland extent, making use of the MIRCA2000 cropland data set Portmann et al. (

2010

). To

avoid distortions of marginal production areas, we only considered grid cells (0.5° by 0.5° longitude/latitude,
equivalent to 55 km by 55 km at the equator) with at least 200 ha of crop cultivation (rainfed and irrigated area).
Spring and winter wheat are not separated in the MIRCA2000 data so we considered total wheat areas for both.
MIRCA2000 data were also used for data aggregation to the global scale, using the provided crop‐specific

Earth's Future

10.1029/2023EF003773

MÜLLER ET AL.

3 of 21

 23284277, 2024, 3, Downloaded from https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2023EF003773 by CochraneAustria, Wiley Online Library on [14/03/2024]. See the Terms and Conditions (https://onlinelibrary.wiley.com/terms-and-conditions) on Wiley Online Library for rules of use; OA articles are governed by the applicable Creative Commons License

Page 4

Figures and page graphics, page 4

harvested areas as aggregation weights. Globally, there were 21,262 grid cells included for maize, 9,165 for
soybean, 11,452 for rice, 17,032 for spring wheat, and 17,032 for winter wheat. With the sheer amount of data of
the GGCMI Phase2 experiment (up to 4,368 global simulations, see Table

1

), a visual representation of variations

in model response is not helpful. We thus structured the analysis to condense the information in a meaningful way
so that different response types can be identified and discussed.

2.2.1. Impact Response Surfaces

Impact Response Surfaces (IRSs) have been used to describe crop model behavior under changes in two driver
dimensions (e.g., temperature and precipitation) (e.g., Pirttioja et al.,

2015

) and Fronzek et al. (

2018

) have used

IRS to identify different model response types. Zabel et al. (

2021

) used IRSs to describe isolines for comparison

of adapted and non‐adapted global production systems. Here, we were interested in regional differences and thus
constructed IRSs for each grid cell

i

, GGCM

g

, crop

c

, and each paired combination of two drivers

d

1 and

d

2 of

the four CTWN dimensions (i.e., T

∼

W, T

∼

N, C

∼

T, W

∼

N, C

∼

W, C

∼

N). IRSs display yield changes (Δ

y

i

,

g

,

c

) for any grid cell

i

or aggregation of grid cells for combination of any two drivers (

d

1 and

d

2) in relation to the

average yield across all cases included in the IRS

(

¯

y

d

1

∗

,

d

2

∗

,

i

,

g

,

c

)

as described by Equation

1

, where

d

1* and

d

2*

describe the full set of elements in

d

1 and

d

2 respectively. We used the average yield (of each respective IRS)

rather than the yield at default conditions (

y

i

,

g

,

c

,

C

360,

T

0,

W

0,

N

200

) as the default conditions were not always directly

supplied by all models

g

.

Δ

y

d

1

,

d

2

,

i

,

g

,

c

=

y

d

1

,

d

2

,

i

,

g

,

c

¯

y

d

1

∗

,

d

2

∗

,

i

,

g

,

c

∗

100

%

(

1

)

The other two dimensions, not displayed in the IRS are kept at their default setting (C: 360 ppm, T: 0°C, W: 0%,
N: 200 kg ha

−

1

). The atmospheric CO

2

concentration of 360 ppm refers to approximately the value of 1,995, the

middle of the simulation period 1980–2010 of the GGCMI Phase2 experiment.

Table 1

Number of Global Simulation Sets of Crop Yield (y) Included in the Global Gridded Crop Model Intercomparison Phase 2
Archive per Model and Crop for the Simulation Set

Model

Maize

Soybean

Rice

Winter wheat

Spring wheat

Nitrogen

CARAIB

a

252

252

252

252

252

No

EPIC‐TAMU

b

756

756

756

756

756

Yes

JULES

c

252

252

252

–

252

No

GEPIC

d

430

430

430

430

430

Yes

LPJ‐GUESS

e

756

–

–

756

756

Yes

LPJmL

f

756

756

756

756

756

Yes

pDSSAT

g

756

756

756

756

756

Yes

PEPIC

h

149

149

149

149

149

Yes

PROMET

i

261

261

261

261

261

Yes

Totals

4,368

3,612

3,612

4,116

4,368

7

not included

APSIM‐UGOE

j

44

44

44

–

44

Yes

EPIC‐IIASA

k

39

39

39

39

39

Yes

ORCHIDEE‐crop

l

33

–

33

33

–

Yes

Note.

Some models do not account for nitrogen dynamics, as indicated in column “Nitrogen.” Not all models provide data for

all crops (indicated by “–” in the respective columns), but always supply the same simulation sets across all crops provided.

a

Dury et al. (

2011

).

b

Izaurralde et al. (

2006

).

c

Osborne et al. (

2015

), K. Williams and Falloon (

2015

), and K. Williams

et al. (

2017

).

d

J. Liu et al. (

2007

) and Folberth et al. (

2012

).

e

Lindeskog et al. (

2013

) and Olin et al. (

2015

).

f

von Bloh

et al. (

2018

).

g

Elliott et al. (

2014

) and Jones et al. (

2003

).

h

W. Liu, Yang, Folberth, et al. (

2016

) and W. Liu, Yang, Liu,

et al. (

2016

).

i

Mauser and Bach (

2015

), Hank et al. (

2015

), and Mauser et al. (

2009

).

j

Keating et al. (

2003

) and Holzworth

et al. (

2014

).

k

Balkovič et al. (

2014

).

l

Valade et al. (

2014

).

Earth's Future

10.1029/2023EF003773

MÜLLER ET AL.

4 of 21

 23284277, 2024, 3, Downloaded from https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2023EF003773 by CochraneAustria, Wiley Online Library on [14/03/2024]. See the Terms and Conditions (https://onlinelibrary.wiley.com/terms-and-conditions) on Wiley Online Library for rules of use; OA articles are governed by the applicable Creative Commons License

Page 5

Figures and page graphics, page 5

Depending on the global extent of cropland, 9,165 (soybean) to 21,262 (maize) of such IRS sets were constructed
per CTWN dimension and crop, which cannot be displayed or interpreted as visuals. For illustrative purposes,
Figure

1

shows IRS for the T

∼

W responses of globally aggregated maize yield.

2.2.2. Dominant Response Dimensions

IRSs show the response of projected yields for any two drivers (

d

1 and

d

2, e.g.

T

and

W

). The classification of IRS

as proposed by Fronzek et al. (

2018

), which distinguishes nine cases of maximum yield location per IRS and the

strength of the response per dimension, is still too complex for our purposes here, especially if extended from two
(TW) to four (CTWN) dimensions of drivers. For a simpler metric to describe the characteristics of IRS, we
identified the

dominant response dimension

, using response ratios (

RR

). Response ratios describe the relationship

of the gradients along the two dimensions, based on minimum and maximum values, that is, ignoring the shape of
these gradients (i.e., it does not matter if the minimum (or maximum) is at either end of the row or column). In
contrast to the illustrative IRSs, the reference yield

¯

y

cancels out in the computation of

RRs

, so we computed

RRs

based on actual yields (

y

) rather than yield changes (Δ

y

). Any distortion that may be introduced by using the IRS’

mean value rather than a standard simulation set thus does not affect any quantitative analysis here. In order to
determine which of the two drivers dominates over the other, we selected the data slice from the CTWN cube that
spans the full range of the drivers of interest (

d

1 and

d

2) at the default conditions of the other two drivers (e.g.,

[

T

−

1

..

T

+

6

] vs. [

P

−

50

..

P

+

30

] at

C

360

and

N

200

). Across that selected surface, we computed the range of simulated

yields (

y

) for each grid cell

i

, model

g

, crop

c

for each element

j

1 of

d

1 across all elements

j

2 of

d

2, computing the

average response to those drivers (e.g.,

R

T

and

R

W

in Figure

S1

) by dividing by the number of elements

n

d

1

and

n

d

2

. The average response of the two drivers

d

1 and

d

2 are computed as described in Equations

2

and

3

and their

combination to compute the response ratio

RR

d

1,

d

2,

i

,

g

,

c

is described in Equation

4

.

RR

ranges between 0 and 1 and

describes the contribution of the first driver to the yield variation across both drivers. If these are perfectly
balanced,

RR

is 0.5, if the first driver is the only driver of yield change,

RR

is 1, if it has no effect,

RR

is zero. All

data processing and plotting was done in R, version 4.1.2 (R Core Team,

2021

).

Figure 1.

Illustrative example of crop model Impact Response Surfaces (IRS), here for maize and the temperature (T) and water (W) dimensions with atmospheric CO

2

(C) at 360 ppm and fertilizer input (N) at 200 kg ha

−

1

. All crop model simulations provided by the modeling groups are displayed as colored rectangles in the IRS. Colors

indicate relative yield changes compared to the mean across all data points of the respective IRS. White spaces indicate missing simulation sets. The simulations for
“W

−

40%” and “T

+

5” were not requested per protocol (Franke et al.,

2020a

,

2020b

).

Earth's Future

10.1029/2023EF003773

MÜLLER ET AL.

5 of 21

 23284277, 2024, 3, Downloaded from https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2023EF003773 by CochraneAustria, Wiley Online Library on [14/03/2024]. See the Terms and Conditions (https://onlinelibrary.wiley.com/terms-and-conditions) on Wiley Online Library for rules of use; OA articles are governed by the applicable Creative Commons License

Page 6

Figures and page graphics, page 6

R

d

1

,

i

,

g

,

c

=

Σ

n

d

2

j

2

=

1

max

(

y

i

,

j

2

,

g

,

c

)

−

min

(

y

i

,

j

2

,

g

,

c

)

n

d

2

(

2

)

R

d

2

,

i

,

g

,

c

=

Σ

n

d

1

j

1

=

1

max

(

y

i

,

j

1

,

g

,

c

)

−

min

(

y

i

,

j

1

,

g

,

c

)

n

d

1

(

3

)

RR

d

1

,

d

2

,

i

,

g

,

c

=

R

d

1

,

i

,

g

,

c

R

d

1

,

i

,

g

,

c

+

R

d

2

,

i

,

g

,

c

(

4

)

We describe the different

RR

values with the median value and the skewness of their distribution. Skewness was

computed with R version 4.1.2 (R Core Team,

2021

) with the

skewness

function of the

moments

R package,

version 0.14.1, using Equation

5

, with

x

for the data and

n

for the number of data points

i

in

x

and

¯

x

for the mean

of

x

.

skewness

=

1

n

Σ

n

i

=

1

(

x

i

−

¯

x

)

3

[

1

n

Σ

n

i

=

1

(

x

i

−

¯

x

)

2

]

(

3

/

2

)

(

5

)

Skewness values range between positive and negative infinity and values outside the [

−

0.4, 0.4] interval can be

considered skewed, that is, data are distributed asymmetrically (Doane & Seward,

2011

).

2.2.3. Cluster Analysis

RRs

take continuous values in the interval [0, 1] and were computed for all six combinations of any two drivers of

the CTWN data cube (T

∼

W, T

∼

N, C

∼

T, W

∼

N, C

∼

W, C

∼

N). In order to structure

RRs

into Crop Yield

Response Types (

YRTs

), we use hierarchical clustering, separating

RR

combinations into clusters so that at least

90% of the overall variance in the total sample is explained by the separation into clusters. The resulting

YRT

describe differences across models and environments simultaneously. This allows for comparing regions and
GGCMs with respect to their sensitivities to changes in the CTWN drivers under the full range of global crop
growing conditions. In order to include all GGCMs with sufficient data provision, independent of their ability to
provide data on responses to variation in N input (see Table

1

), we also conducted the same analysis for the CTW

data cube with 3 different combinations of any two drivers (T

∼

W, C

∼

T, C

∼

W), which we refer to as CTW‐

YRT

. We used R version 4.1.2 (R Core Team,

2021

) with R‐package

Rclustercpp.hclust

(version 0.2.6) for large

data sets with standard settings, that is, using

euclidean distances

and the

ward

method. For describing the

characteristics of the individual clusters, we make use of the median and interquartile range of each

RRs

dis-

tribution within each cluster.

3. Results

3.1. Distribution of

RR

The GGCMs show different distributions of

RR

across all crop‐specific cropland. There are differences in the

median values, but also in the shape — and skewness — of the distributions. Most

RR

values per GGCM are not

normally distributed but highly skewed or bi‐modal (see illustrative Figure

2

). The differences in median values

illustrate differences between models, as the distributions always refer to the same spatial sample (all grid cells
with at least 200

ḣ

a crop‐specific harvested area, according to Portmann et al. (

2010

)). Median values range

substantially across GGCMs, but also across crops.

Maize yield simulations of CARAIB show very little response to changes in water supply in comparison to
changes in temperature with a median

RR

T

,

W

value of 0.84, which is in line with the vertical stripe pattern seen in

the IRS for CARAIB in Figure

1

. JULES maize yield simulations, on the other hand, show the opposite behavior

with a median

RR

value of 0.26. Specific regional characteristics can also already be detected here. EPIC‐TAMU,

pDSSAT, and PROMET show a spike in the highest

RR

bin, indicating that there is a substantial number of grid

cells (about 1,000 for EPIC‐TAMU,

>

2,500 for pDSSAT,

>

2,100 for PROMET), in which changes in water

supply have basically no effect in comparison to changes in temperature on simulated yields. JULES and LPJmL
hardly have such maize‐growing grid cells where water supply matters little in comparison to changes in

Earth's Future

10.1029/2023EF003773

MÜLLER ET AL.

6 of 21

 23284277, 2024, 3, Downloaded from https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2023EF003773 by CochraneAustria, Wiley Online Library on [14/03/2024]. See the Terms and Conditions (https://onlinelibrary.wiley.com/terms-and-conditions) on Wiley Online Library for rules of use; OA articles are governed by the applicable Creative Commons License

Page 7

Figures and page graphics, page 7

temperature. Some distributions are highly skewed or show bi‐modal patterns, which is most prominent in the
combined distribution across all nine GGCMs. There are too many

RR

and crop combinations to show all dis-

tributions as histograms in figures and we thus present results of variation in median and skewness values in
Tables

2

and

3

. Table

2

shows the range of median

RR

values across GGCMs, crops and driver combinations.

Median values range between 0.06 (importance of C in comparison to N for maize in GEPIC data) and 1.0
(importance of C in comparison to N for soybean in GEPIC data). For all crops analyzed here, many

RRs

show a

very broad range across GGCMs with differences between min and max values often well above 0.5 (Table

2

).

One exception is

RR

C

,

T

of the C3 crops (other than spring wheat), where the range is only 0.3 or lower. Large

differences between GGCM's

RRs

are particularly pronounced for

RR

W

,

N

and

RR

T

,

N

for all crops other than the N‐

fixing leguminous crop soybean.

3.2. Crop Yield Response Types

Identifying crop yield response types (

YRT

) can help to illustrate the similarities and differences between

RR

combinations across GGCMs and regions. The hierarchical clustering combines elements (individual data points
(leaves) or clusters) by similarity and dendrograms illustrate the similarity of these elements (Figures

S11–S20

).

Three (e.g., soybean, Figure

S23

) to six (e.g., winter wheat, Figure

S27

) clusters were needed to explain at least

90% of the overall variance in the global crop‐specific simulation sets.

As already suggested by the GGCM‐specific distributions of

RRs

(Figure

2

, Tables

2

and

3

), some GGCMs show

substantially different

YRTs

than others, however, also the regional distribution of

YRTs

differs between indi-

vidual GGCMs (see Figures

3

and

4

for maize and Figures

S21–S28

for the other crops). Since the clusters are

defined by similarity of

RR

combinations, the interpretation depends on the

RR

distributions within clusters, as

displayed in Figure

3

for maize CTW responses (corresponding to Figure

4

). As the C4 crop, maize sees no direct

stimulation of photosynthesis through elevated atmospheric CO

2

concentrations, but only improvements in water‐

Figure 2.

Distributions of maize Response Ratios for the temperature (T) versus water (W) domains (

RR

T

,

W

) of the nine different Global Gridded Crop Models

(GGCMs), showing the importance of T in comparison to W at default C (360 ppm) and N (200 kg ha

−

1

). Values approaching unity indicate higher sensitivity to T than

to W, while values approaching zero indicate higher sensitivity to W than to T (see Equation

4

). Green vertical lines show the median value, which is also given in the

title of each panel. Bottom right‐hand panel shows the distribution across all GGCMs. Results are shown for currently cultivated maize cropland.

Earth's Future

10.1029/2023EF003773

MÜLLER ET AL.

7 of 21

 23284277, 2024, 3, Downloaded from https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2023EF003773 by CochraneAustria, Wiley Online Library on [14/03/2024]. See the Terms and Conditions (https://onlinelibrary.wiley.com/terms-and-conditions) on Wiley Online Library for rules of use; OA articles are governed by the applicable Creative Commons License

Page 8

Figures and page graphics, page 8

use efficiency. Still, some GGCMs display substantial shares of maize growing areas where C is more dominant
than changes in T and similar to changes in W (cluster#2; Figure

4

). Temperature dominance (cluster#4, as well as

clusters #1 and #3, in which T is dominant or on par with the other drivers) is particularly important in pDSSAT,
GEPIC, PEPIC, and LPJmL, even though patterns differ (Figure

4

).

For rice simulations, the distribution of different CTW‐

YRTs

is more balanced across GGCMs (Figures

S21

and

S22

), with JULES and PROMET showing little presence of cluster #4 (T dominance and C dominance over W,

Figure

S21

) and LPJmL with little presence of cluster #2 (W dominance and balanced C vs. T response). Spatial

patterns show some similarities with respect to cluster #4 (other than in JULES and PROMET) in the tropics and
cluster #2 (other than LPJmL) in more arid regions of Asia, Africa, and south America.

Soybean CTW data are only clustered in three different CTW‐

YRTs

(Figures

S23

and

S24

), where JULES and to

some lesser extent LPJmL are mostly characterized by cluster #2 (W dominates and C vs. T is balanced).
CARAIB and PROMET show larger shares of cluster #3 (dominance of T and of C over W). There is larger

Table 2

Median Values of RR Across Crops and Driver Combinations

Crop

Drivers

CARAIB

EPIC‐TAMU

GEPIC

JULES

LPJ‐GUESS

LPJmL

pDSSAT

PEPIC

PROMET

All

Min

Max

Maize

TW

0.84

0.42

0.5

0.26

0.54

0.39

0.7

0.53

0.57

0.51

0.26

0.84

WN

NA

0.39

0.37

NA

0.18

0.75

0.56

0.22

0.76

0.47

0.18

0.76

CW

0.81

0.38

0.14

0.19

0.43

0.25

0.19

0.32

0.57

0.32

0.14

0.81

TN

NA

0.33

0.32

NA

0.21

0.64

0.76

0.23

0.82

0.47

0.21

0.82

CT

0.48

0.42

0.14

0.35

0.5

0.33

0.08

0.26

0.37

0.33

0.08

0.5

CN

NA

0.18

0.06

NA

0.09

0.3

0.16

0.11

0.92

0.16

0.06

0.92

Rice

TW

0.66

0.6

0.68

0.44

NA

0.69

0.75

0.72

0.56

0.64

0.44

0.75

WN

NA

0.35

0.29

NA

NA

0.58

0.31

0.19

0.81

0.41

0.19

0.81

CW

0.54

0.48

0.49

0.44

NA

0.66

0.49

0.5

0.5

0.51

0.44

0.66

TN

NA

0.52

0.36

NA

NA

0.79

0.45

0.27

0.87

0.6

0.27

0.87

CT

0.42

0.36

0.33

0.55

NA

0.46

0.37

0.37

0.44

0.41

0.33

0.55

CN

NA

0.23

0.16

NA

NA

0.52

0.21

0.15

0.91

0.33

0.15

0.91

Soy

TW

0.84

0.49

0.62

0.37

NA

0.47

0.49

0.72

0.9

0.57

0.37

0.9

WN

NA

0.9

0.98

NA

NA

0.99

0.9

0.89

0.56

0.93

0.56

0.99

CW

0.75

0.4

0.42

0.37

NA

0.45

0.4

0.65

0.89

0.48

0.37

0.89

TN

NA

0.91

0.99

NA

NA

0.99

0.9

0.96

0.9

0.95

0.9

0.99

CT

0.44

0.41

0.33

0.53

NA

0.53

0.41

0.4

0.41

0.45

0.33

0.53

CN

NA

0.81

1

NA

NA

0.99

0.9

0.9

0.91

0.93

0.81

1

Spring wheat

TW

0.68

0.31

0.45

0.35

0.74

0.47

0.42

0.51

0.39

0.47

0.31

0.74

WN

NA

0.52

0.45

NA

0.22

0.78

0.61

0.31

0.85

0.51

0.22

0.85

CW

0.72

0.25

0.18

0.35

0.7

0.45

0.32

0.41

0.47

0.43

0.18

0.72

TN

NA

0.43

0.41

NA

0.46

0.77

0.57

0.3

0.83

0.53

0.3

0.83

CT

0.58

0.42

0.24

0.51

0.69

0.5

0.39

0.38

0.56

0.49

0.24

0.69

CN

NA

0.26

0.12

NA

0.38

0.59

0.38

0.19

0.93

0.37

0.12

0.93

Winter wheat

TW

0.65

0.31

0.45

NA

0.62

0.49

0.42

0.35

0.51

0.48

0.31

0.65

WN

NA

0.39

0.44

NA

0.19

0.7

0.64

0.35

0.82

0.44

0.19

0.82

CW

0.68

0.32

0.33

NA

0.68

0.47

0.2

0.35

0.54

0.45

0.2

0.68

TN

NA

0.21

0.31

NA

0.33

0.68

0.55

0.22

0.84

0.38

0.21

0.84

CT

0.54

0.51

0.44

NA

0.63

0.49

0.33

0.5

0.45

0.5

0.33

0.63

CN

NA

0.15

0.17

NA

0.32

0.52

0.24

0.19

0.92

0.29

0.15

0.92

Note.

CARAIB and JULES did not supply data for different N levels, LPJ‐GUESS did not supply data for rice or soybean, JULES did not supply data for winter wheat.

These missing data points are indicated by “NA” (not available).

Earth's Future

10.1029/2023EF003773

MÜLLER ET AL.

8 of 21

 23284277, 2024, 3, Downloaded from https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2023EF003773 by CochraneAustria, Wiley Online Library on [14/03/2024]. See the Terms and Conditions (https://onlinelibrary.wiley.com/terms-and-conditions) on Wiley Online Library for rules of use; OA articles are governed by the applicable Creative Commons License

Page 9

Figures and page graphics, page 9

agreement (

n

=

6) on presence of cluster #2 CTW‐

YRT

in Europe and parts of North America and moderate

agreement for South America, and parts of Africa.

CTW‐

YRTs

for spring wheat are more mixed (Figures

S25

and

S26

). CARAIB, LPJ‐GUESS and LPJmL show

mostly clusters #1 (W with little importance and C vs. T balanced, Figure

S25

) and #2 (all balanced), but

CARAIB has these two in approximately equal shares, while LPJ‐GUESS has substantially more #1 and LPJmL
substantially more #2. EPIC‐TAMU, GEPIC and JULES are substantially more sensitive to W, JULES with
mostly #3 (W dominates, C vs. T is balanced), GEPIC with mostly cluster #4 (C with little importance and T vs. W
balanced). Spatial patterns are also mixed, with little pockets of multi‐model agreement across all continents.

Also for winter wheat CTW‐

YRTs

show a mixed picture with 6 distinct clusters (Figures

S27

and

S28

). Here, a

divide can be seen along the importance of C: only in four of the eight GGCMs (EPIC‐TAMU, GEPIC, pDSSAT,
PEPIC), cluster #6 can be found (in which C is of little importance and W dominates T), while cluster #2 (C
dominates and T vs. W is balanced) is basically absent in these GGCMs. Cluster #2 is particularly widespread in
CARAIB and LPJ‐GUESS. Spatial patterns show little consistency across GGCMs.

Table 3

Skewness of RR Distributions Across Crops and Driver Combinations

Crop

Drivers

CARAIB

EPIC‐TAMU

GEPIC

JULES

LPJ‐GUESS

LPJmL

pDSSAT

PEPIC

PROMET

All

Min

Max

Maize

TW

−

1.42

0.5

0.12

1.45

0.15

0.75

−

0.27

0.05

−

0.01

0.1

−

1.42

1.45

WN

NA

0.39

0.68

NA

1.44

−

0.53

0.01

1.14

−

1.09

0.1

−

1.09

1.44

CW

−

1.09

1.29

1.71

3.02

0.51

3.76

1.59

0.91

0.29

0.76

−

1.09

3.76

TN

NA

0.9

1.05

NA

2.13

−

0.11

−

0.45

1.32

−

1.31

0.17

−

1.31

2.13

CT

−

0.77

0.77

1.8

0.48

−

0.39

0.28

2.11

0.94

0.27

0.33

−

0.77

2.11

CN

NA

1.42

2.15

NA

2.46

0.54

1.14

1.67

−

2.14

0.88

−

2.14

2.46

Rice

TW

−

0.26

−

0.1

−

0.52

0.73

NA

−

0.54

−

0.66

−

0.55

0.16

−

0.21

−

0.66

0.73

WN

NA

0.53

1.13

NA

NA

−

0.01

0.9

1.4

−

2.24

0.28

−

2.24

1.4

CW

0.09

0.47

0.16

0.87

NA

−

0.24

0.24

0.23

0.92

0.26

−

0.24

0.92

TN

NA

0.3

1.05

NA

NA

−

0.29

0.63

1.35

−

4.06

−

0.07

−

4.06

1.35

CT

−

0.07

1.34

1.41

−

0.75

NA

−

0.75

−

0.76

1.19

0.58

0.32

−

0.76

1.41

CN

NA

1.14

1.54

NA

NA

0.42

1.82

1.38

−

3.62

0.47

−

3.62

1.82

Soy

TW

−

0.87

0.43

−

0.22

1.58

NA

0.45

0.34

−

0.45

−

1.07

0.11

−

1.07

1.58

WN

NA

−

1.62

−

2.45

NA

NA

−

14.08

−

1.45

−

0.77

0.02

−

1.45

−

14.08

0.02

CW

−

0.46

1.13

0.7

1.53

NA

1.32

0.63

−

0.12

−

0.66

0.47

−

0.66

1.53

TN

NA

−

2.12

−

7.01

NA

NA

−

3.27

−

2

−

4.03

−

6.18

−

3.52

−

7.01

−

2

CT

−

0.29

0.92

1.22

0.43

NA

−

0.56

−

0.05

0.71

−

0.12

0.16

−

0.56

1.22

CN

NA

−

1.72

−

1.53

NA

NA

−

5.54

−

1.49

−

2.98

−

2.46

−

3.07

−

5.54

−

1.49

Spring wheat

TW

−

0.29

1.11

0.34

1.25

−

0.61

0.51

0.52

0.15

0.82

0.33

−

0.61

1.25

WN

NA

0.02

0.4

NA

1.22

−

0.78

−

0.17

0.69

−

2.77

0.02

−

2.77

1.22

CW

−

0.34

1.91

1.26

2.12

−

0.06

1.37

0.89

0.65

0.43

0.36

−

0.34

2.12

TN

NA

0.28

0.56

NA

0.46

−

0.48

−

0.04

1

−

2.46

0.06

−

2.46

1

CT

−

0.93

0.46

1.18

0.05

−

1.69

0.21

0.4

0.64

−

0.13

−

0.06

−

1.69

1.18

CN

NA

0.64

1.41

NA

1.18

0.04

0.48

1.16

−

2.27

0.45

−

2.27

1.41

Winter wheat

TW

−

0.3

0.93

0.2

NA

−

0.1

0.1

0.39

0.73

0.08

0.18

−

0.3

0.93

WN

NA

0.39

0.51

NA

1.34

−

0.41

−

0.22

0.72

−

1.37

0.28

−

1.37

1.34

CW

−

0.21

1.88

0.98

NA

0

1.05

1.41

0.64

0.42

0.26

−

0.21

1.88

TN

NA

1.34

0.75

NA

0.84

−

0.2

0.07

1.25

−

1.88

0.41

−

1.88

1.34

CT

−

0.46

−

0.04

0.11

NA

−

0.35

0.04

0.28

−

0.1

0.38

−

0.12

−

0.46

0.38

CN

NA

2.05

1.13

NA

1.27

0.18

0.73

1.2

−

1.96

0.75

−

1.96

2.05

Note.

CARAIB and JULES did not supply data for different N levels, LPJ‐GUESS did not supply data for rice or soybean, JULES did not supply data for winter wheat.

These missing data points are indicated by “NA” (not available).

Earth's Future

10.1029/2023EF003773

MÜLLER ET AL.

9 of 21

 23284277, 2024, 3, Downloaded from https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2023EF003773 by CochraneAustria, Wiley Online Library on [14/03/2024]. See the Terms and Conditions (https://onlinelibrary.wiley.com/terms-and-conditions) on Wiley Online Library for rules of use; OA articles are governed by the applicable Creative Commons License

Page 10

Figures and page graphics, page 10

Figure 3.

Distribution of

RRs

within CTW‐

YRT

clusters. Within each cluster (colored boxes), three boxplots describe the

distribution of

RRs

for T versus W (dark gray, left boxplot), C versus W (gray, middle boxplot), C versus T (light gray, right

boxplot). Horizontal lines indicate the median value, boxes extent across the interquartile range (IQR). Whiskers extend to
the most extreme value within 1.5 times the IQR, outliers beyond this threshold are omitted. Colored dots on top of each
cluster box indicate what drivers dominates: red for T dominance, blue for W dominance, purple for C dominance, and gray
for no dominance. We rate drivers as balanced (i.e., no dominance) if the median

RR

is between 0.4 and 0.6.

Figure 4.

Spatial distribution of Crop Yield Response Types (

YRTs

) for each of the nine Global Gridded Crop Models (GGCMs) for maize, considering the C, T, and W

dimensions, but without consideration of the N dimension, because this was not supplied by all GGCMs. The stacks in the bottom right‐hand corner show the grid cell
frequency distribution of the

YRT

clusters for each GGCM. The

RR

combinations characterizing each cluster are shown in Figure

3

above.

Earth's Future

10.1029/2023EF003773

MÜLLER ET AL.

10 of 21

 23284277, 2024, 3, Downloaded from https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2023EF003773 by CochraneAustria, Wiley Online Library on [14/03/2024]. See the Terms and Conditions (https://onlinelibrary.wiley.com/terms-and-conditions) on Wiley Online Library for rules of use; OA articles are governed by the applicable Creative Commons License

Page 11

Figures and page graphics, page 11

If including the N dimension, the number of GGCMs is reduced to at most seven (Table

1

), while the number of

combinations of any two drivers increases to six. Still, the hierarchical clustering finds similar number of clusters
with the threshold of 10% of overall variance within the clusters. The two models that show very little sensitivity
of maize yields to water (CARAIB) or very high (JULES) did not provide any data along the N dimension, but
within the reduced ensemble with N, there are again two models that show opposite behavior (Figures

5

and

6

):

LPJ‐GUESS has a very strong response of maize yields to N either in combination with strong response to W
(clusters #2) or with combination with strong response to T (cluster #4), while PROMET has little response to N
either with strong sensitivity to W (cluster #1) or T (cluster #5). LPJmL and pDSSAT maize yields are dominated

Figure 5.

As Figure

3

but now for the full CTWN set with nitrogen and six combinations of any two drivers (gray shadings of

boxplots, ordered from left to right).

Figure 6.

Spatial distribution of Crop Yield Response Types (

YRTs

) for each of the seven Global Gridded Crop Models (GGCMs) for maize including all four response

dimensions (i.e., C, T, W, N). The stacks in the bottom right‐hand corner show the grid cell frequency distribution of the

YRT

clusters for each GGCM. The

RR

combinations characterizing each cluster are shown in Figure

5

above.

Earth's Future

10.1029/2023EF003773

MÜLLER ET AL.

11 of 21

 23284277, 2024, 3, Downloaded from https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2023EF003773 by CochraneAustria, Wiley Online Library on [14/03/2024]. See the Terms and Conditions (https://onlinelibrary.wiley.com/terms-and-conditions) on Wiley Online Library for rules of use; OA articles are governed by the applicable Creative Commons License

Page 12

Figures and page graphics, page 12

by clusters #3 (with balanced responses, but T, W, and N all dominate C) and #1 (with mostly water dominance
and little importance of N). Also GEPIC maize yields show large shares of cluster #3, but in combination with
cluster #4. PROMET shows very little sensitivity to N also in rice yields (Figures

S29

and

S30

) with almost all

pixels being clustered in cluster #1, while all other GGCMs show strong importance of N in clusters #3 and #4,
except for LPJmL, which has basically no occurrence of cluster #3 but of cluster #2 (where dimensions are more
balanced but T dominates W and N), which is not very predominant in all other GGCMs. Spatial patterns of EPIC‐
TAMU, GEPIC, pDSSAT, and PEPIC rice sensitivities show some consistency, including LPJmL for Asia. For
soybean, all six GGCMs that provided data, see little importance of N (with soybean being an N‐fixing legu-
minous crop). PROMET soybean yield simulations are mostly in

YRT

cluster #3 (dominance of T and C), which is

basically absent in GEPIC and LPJmL simulations (Figures

S31

and

S32

). These two GGCMs find mostly

clusters #2 (everything balanced, unless if compared to N) and #4 (T and C dominance). W and C dominance as in

YRT

cluster #1 is rare, but there is some cross‐GGCM agreement on the regional occurrence of this

YRT

in SE‐

Europe and northern USA/Canada. Spring wheat

YRTs

are more mixed across GGCMs and regions. PROMET

shows again little sensitivity to N with clusters #4 (W dominates and little importance of N otherwise) and #5 (T
and C dominate). LPJmL also shows large shares of #4, but in combination with #1 (W and N dominate) and #2 (N
and C dominate).

YRT

clusters #1 and #2 are also predominant for spring wheat

YRTs

of EPIC‐TAMU, GEPIC,

and PEPIC. For winter wheat

YRTs

, PROMET yield simulations shows also little sensitivity to N (clusters #3 with

W dominance and #4 with T and C dominance), whereas LPJ‐GUESS is most sensitive to N (cluster #1 with N
dominance and all others balanced). Cluster #3 with W dominance is also found to some larger extent in LPJmL
simulations, whereas all other GGCMs show large shares of cluster #2 with W and N dominance.

3.3. Emergent Functional Relationships

There are also different emergent functional relationships among GGCMs, that is, changes in functional responses
that can be observed (emergent) but that we cannot attribute to actual model code structure or parameterization.
Making use of the median

RRs

, we analyze how these change as a function of the other driver dimensions. Owing

to the complexity of the data set, we constrain this analysis to median

RR

T

,

W

responses to changes in C and N

(Figure

7

for spring wheat, Figures

S27–S40

for the other crops).

In some models and crops, the median

RR

T

,

W

is hardly affected by increasing C (e.g., CARAIB, EPIC‐TAMU,

GEPIC, pDSSAT for spring wheat, Figure

7

), whereas there are more pronounced changes in the median spring

wheat

RR

T

,

W

with changes in C for the other models. Similarly, the median

RR

T

,

W

changes only little under

different levels of N supply for some GGCMs (e.g., EPIC‐TAMU, LPJ‐GUESS, LPJmL, pDSSAT, PROMET for
spring wheat, Figure

7

) but more strongly in others. Also the direction of change varies across GGCMs. While

some show an increasing importance of T versus W with increasing N supply (e.g., EPIC‐TAMU, GEPIC, PEPIC
for spring wheat, Figure

7

), others see the opposite (decreasing importance of T vs. W with increasing N supply)

or mixed cases. The combination of changes in C and N can lead to different emergent functional relationships,
too: PEPIC spring wheat simulations show an increasing importance of T versus W with increasing C under high
N supply, but a substantially lower importance of T versus W at low N supply and also a decreasing trend with
higher C. Similar emergent functional relationships can be observed for the other crops analyzed here, but there
are also crop‐specific differences for some individual models. CARAIB shows always high median

RR

T

,

W

values

with little to no effect from changes in C across all five crops. EPIC‐TAMU, GEPIC, and PEPIC all show very
strong responses in median

RR

T

,

W

to changes in N supply for rice (Figure

S38

), but much less so for winter wheat

(Figure

S40

). LPJmL and PROMET see increasing median

RR

T

,

W

with C for winter wheat (Figure

S40

), but less

so for other crops (PROMET also increasing values for maize, Figure

S37

).

4. Discussion

We find that the crop models contributing to the GGCMI Phase 2 experiment (Franke et al.,

2020a

,

2020b

) show

substantial differences in yield responses to drivers along the carbon dioxide (C), temperature (T), water (W), and
nitrogen (N) dimensions. These differences are caused by model structure and mechanisms as well as parame-
terization (Folberth et al.,

2019

). Because not all GGCMs provided the full set of CTWN simulations (Franke

et al.,

2020a

,

2020b

) (see Table

1

), we used the emulators developed on these simulation sets (Franke et al.,

2020a

,

2020b

) to gap‐fill missing elements. Even though the emulators show generally good skill in reproducing model

results, yield responses along the N dimension were particularly difficult to emulate with the low number of
experiments in that dimension (

n

=

3, see Table

A1

). Also the number of simulations that needed to be

Earth's Future

10.1029/2023EF003773

MÜLLER ET AL.

12 of 21

 23284277, 2024, 3, Downloaded from https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2023EF003773 by CochraneAustria, Wiley Online Library on [14/03/2024]. See the Terms and Conditions (https://onlinelibrary.wiley.com/terms-and-conditions) on Wiley Online Library for rules of use; OA articles are governed by the applicable Creative Commons License

Page 13

Figures and page graphics, page 13

supplemented by emulated responses affects how well ’true’ GGCM responses can be reproduced by the emu-
lators. However, PEPIC, which supplied the smallest number of simulations of the ensemble considered here
(Table

1

) is in relatively good agreement with the other EPIC‐based GGCMs considered here. This mechanism

could also be a possible reason for the low N sensitivity of PROMET, which had also supplied only a small
number of simulation sets for different N levels (Franke et al.,

2020a

,

2020b

). The selection of the CTWN drivers

does not cover the full range of climatic drivers of crop yield change (Schauberger et al.,

2016

) and albeit these are

important, further research on additional drivers, such as irradiation as included in the study of Tao et al. (

2020

),

would be helpful (Ruane et al.,

2022

).

Median

RRs

show a broad range of values, but some of this is expected. So is the role of CO

2

fertilization not very

strong for maize as a C4 plant or the role of N inputs is relatively small for soybean, which can acquire atmo-
spheric N via biological N fixation. The extreme soybean

RR

values for driver combinations with N (Table

2

) can

thus be explained by model design, but also indicate that more complex implementations should be implemented,
as for example, done in a later LPJ‐GUESS version than the one used here (Ma et al.,

2022

). Apart from such

general responses of little C importance for maize yield simulations or little N importance for soybean yield
simulations, large differences in the sensitivity to different drivers exist between models.

The skewness of

RR

distributions is in part determined by the environmental conditions of the spatial sample, that

is, the actual crop‐growing areas, yet model differences are also dominant here. In some cases, some models find
highly negatively skewed distributions, whereas others find highly positive skewed distributions (e.g.,

−

1.42 for

CARAIB vs. 1.45 for JULES for the distribution of maize

RR

T

,

W

, or

−

1.69 for LPJ‐GUESS vs. 1.18 for GEPIC for

spring wheat

RR

C

,

T

). While we cannot expect normally distributed

RR

values as the cropland sample may not

reflect normally distributed growing conditions, differences in skewness across GGCMs are only attributable to
model functionality as they all use the same spatial sample here.

Figure 7.

Spring wheat median

RR

T

,

W

values under different levels of atmospheric CO

2

(

x

‐axis) and N supply (colors). CARAIB and JULES did not supply data at

different levels of nitrogen supply, their generic N response in shown in gray.

Earth's Future

10.1029/2023EF003773

MÜLLER ET AL.

13 of 21

 23284277, 2024, 3, Downloaded from https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2023EF003773 by CochraneAustria, Wiley Online Library on [14/03/2024]. See the Terms and Conditions (https://onlinelibrary.wiley.com/terms-and-conditions) on Wiley Online Library for rules of use; OA articles are governed by the applicable Creative Commons License

Page 14

Figures and page graphics, page 14

The clustering of

RR

values to

YRTs

illustrates that differences in response types can be larger between GGCMs

than between regions. The arbitrary choice of leaving 10% of overall variance within clusters led to a small
number of clusters (

n

<

7) that allow for qualitative description of their characteristics and interpretability.

Even though this threshold does not follow any formal definition of the optimal number of clusters, we argue
that it is important to only have a small number of clusters for discussing regional and GGCM‐specific dis-
tributions of

YRTs

. The dendrograms (Figures

S11–S20

) show that the number of clusters is not very sensitive

to smaller variations of the 10% threshold but that the number of clusters dramatically increases at thresholds

<

5%. Some models show consistent behavior across different crops (e.g., PROMET is typically not very

sensitive to changes in N compared to changes in any other driver and CARAIB is not very sensitive to changes
in W compared to other drivers). LPJ‐GUESS shows greater sensitivity to C than other models for spring
wheat, but greater sensitivity to N than any other model for winter wheat, where CARAIB shows the greatest
sensitivity to C. PROMET also shows greatest sensitivity to C of winter wheat, but only from the ensemble that
also supplied data on the N dimension, even though it tends to be rather insensitive to N in general. Similarity
in spatial patterns of

YRTs

across some GGCMs and crops suggest that growing environments can be the

dominant determinant of model sensitivities, as should be expected for perfect models. Differences in spatial
patterns can stem from smaller differences along cluster borders that result in different clusters and suggest
significant differences (classification problem) or differences in regional parameterizations, as applied by some
GGCMs (Folberth et al.,

2019

), reflecting how sparsely the global diversity in farming systems (e.g., Jarvis

et al.,

2008

) is reflected in crop models. Nonetheless, differences in spatial patterns across GGCMs suggest that

differences in models' sensitivities to environmental drivers needs further attention from model development
and application.

It can be expected that crop yields show interacting responses to simultaneous changes in CTWN drivers. If, for
example, N limitation is lifted, W limitation may show more clearly and vice versa. The EPIC model has a
maximum function approach and only considers the most severe from several stressors in daily biomass gains
(Sharpley & Williams,

1990

; J. R. Williams,

1990

) and indeed, the EPIC‐based GGCMs (EPIC‐TAMU, GEPIC,

PEPIC) show substantial differences in

RR

T

,

W

under different N levels, except for soybean (as an N‐fixing plant)

and only to some limited extent for winter wheat. The GGCMs of the GGCMI Phase2 ensemble show a range of
emergent functional relationships, varying between no effect (e.g., pDSSAT for soybean, Figure

S39

), layered but

flat effects (e.g., GEPIC for maize, Figure

S37

), increasing (e.g., LPJmL for winter wheat, Figure

S40

) or

decreasing (e.g., LPJ‐GUESS for spring wheat, Figure

7

). While it is quite possible that these emergent functional

relationships should differ between crops, because of their physiological traits (e.g., C3 vs. C4 photosynthesis)
and where they are grown, there should not be substantial differences in the overall

RR

level or in the direction of

change under variations in additional drivers. We here only analyze highly aggregated data (global and temporal
aggregation), but aggregation typically leads to more balanced responses with extremes canceling out so that even
stronger differences can be expected at the more detailed level (individual sites and years).

We find that in a standard model evaluation, focusing on reproducing grain yield as for example, by Müller
et al. (

2017

) (see Figures

S2–S10

), model differences are not as prominent as in response types and functional

relationships. As such, crop models need to be evaluated not only with respect to reproduce observed yield
dynamics, because final yields are affected by a multitude of processes and drivers (Schauberger et al.,

2016

) and

Zhu et al. (

2019

) showed that error compensation in maize simulations can lead to accurate yield estimates.

Different emergent functional relationships have been reported also for model intercomparison studies at site
scale (Tao et al.,

2020

) and for other crops (e.g., E. Wang et al.,

2022

) and can originate from model parame-

terization (e.g., through different calibration methods), choice of subroutines (e.g., for potential evapotranspi-
ration (Cammarano et al.,

2016

; Folberth et al.,

2019

)) or modeler choices (Albanito et al.,

2022

; Folberth

et al.,

2019

; E. Wang et al.,

2022

). Fronzek et al. (

2018

) attempt to relate process implementation with IRS classes,

identifying evapotranspiration models, soil water modules, and heat stress modules as important determinants of
similarity between crop models.

Data availability for crop model evaluation on aspects other than yields is still a strong limitation, especially at
large‐scale applications. Remote sensing products may fill this gap to some extent (e.g., Cetin et al.,

2023

; Jiang

et al.,

2023

; Jin et al.,

2018

; Yue et al.,

2023

).

Testing models for emergent functional properties, as also requested by Tao et al. (

2020

) could be an alternative

approach to model evaluation, which requires knowledge on functional relationships and structured model

Earth's Future

10.1029/2023EF003773

MÜLLER ET AL.

14 of 21

 23284277, 2024, 3, Downloaded from https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2023EF003773 by CochraneAustria, Wiley Online Library on [14/03/2024]. See the Terms and Conditions (https://onlinelibrary.wiley.com/terms-and-conditions) on Wiley Online Library for rules of use; OA articles are governed by the applicable Creative Commons License

Page 15

Figures and page graphics, page 15

experiments, such as the GGCMI Phase2 experiment (Franke et al.,

2020a

,

2020b

), even though experimental

design targeted to identifying specific functional relationships should drastically reduce the computation demand
that was associated with the GGCMI Phase2 experiment. There are some examples of testing model for emergent
functional properties (e.g., Schauberger et al.,

2017

), and dedicated efforts for model evaluation on aspects other

than yield (e.g., Kimball et al.,

2019

, for maize evapotranspiration) but this is typically not integrated into standard

model evaluation exercises. Schneck et al. (

2022

) provide an assessment of the emergent property

water‐use

efficiency

of their land surface model across different precipitation and temperature regimes (sampled from a

global simulation rather than a stylized experiment design). The Earth System Modeling community has
established standards for model evaluation (e.g., ESMValTool v2.0 Eyring et al.,

2020

), which can provide

guidance from a technical and conceptual perspective. Yet, the climate system is described (and evaluated) by
many different variables in contrast to the focus on the single end‐of‐season variable

yield

in crop modeling,

limiting the comparability of evaluation standards in the two research domains. Horak et al. (

2021

) suggest a

process‐based evaluation of Intermediate Complexity Atmospheric Research Models that is based on stylized
modeling experiments to help models become right for the right reasons. This approach is likely easier to transfer
to crop modeling and we suggest that the idea of process‐based model evaluation from targeted simulation ex-
periments is pursued in future crop model evaluation efforts. The sensitivity of models to calibration (e.g., E.
Wang et al.,

2022

) and parameterization (e.g., Folberth et al.,

2019

; E. Wang et al.,

2017

) indicates that model

evaluation needs to be conducted continuously and cannot be substituted by references to model description
papers or earlier evaluation efforts. The approach by Brown et al. (

2018

) to identify standard tests and include

these into the

user interface

of the crop model

APSIM

to facilitate better model development is a promising

approach. Such easy to access standard tests based on specific experiments can guide model development, but
may be more limited for testing different case‐specific model parametrizations. While the approach Brown
et al. (

2018

) is model specific, such standard tests can be generalized to crop models in general, as demonstrated

by efforts on general model benchmarking in global vegetation modeling (Kelley et al.,

2013

). Better efforts in the

crop modeling community for model testing and evaluation are needed. At the same time, model deficiencies that
have been identified by testing models, such as by Y. Li et al. (

2019

), who found that an ensemble of GGMCs

(Müller et al.,

2017

,

2019

) fails to reproduce the observed yield penalties under extremely wet conditions, need to

incentivize model development. Global‐scale crop model applications for high‐end climate scenarios can expose
crop models to input data combinations that have never been used during model development and may lead to
unwanted model behavior. GGCMI data are thus tested for implausible data ranges (see quality check scripts at

https://github.com/AgMIP‐GGCMI/phase3_quality_check

), but functional model test could test for plausibility

in response to different drivers, such as.

•

along a broad nitrogen supply gradient, crop yields should first increase and then level off;

•

along a soil water content gradient from dry to very wet, crop yields should first increase and then decrease
(e.g., Y. Li et al.,

2019

);

•

exposure to canopy temperatures above lethal temperature thresholds should lead to an abort of crop growth.

5. Conclusions

The diversity in

RR

indicates that GGCMs have very different sensitivities to different climatic drivers and ni-

trogen supply. This has been discussed in the literature with a strong focus on the role of CO

2

on yield formation

(Toreti et al.,

2020

), as many studies had presented results with and without CO

2

fertilization effects (e.g.,

Rosenzweig et al.,

2014

), bringing attention to this particular effect. We find that changes in temperatures, water

or nitrogen supply yield similar strong differences when it comes to model sensitivities. Model evaluation should
advance to including emergent functional relationships that may tell more about model plausibility and skill than
only comparison with yield data from observations. For this, existing knowledge needs to be collected, tested for
generalizability, and translated into simple tests that models can be subjected to. Modeling protocols need to be
designed to enable such functionality tests rather than only comparisons with yield data. A community effort is
needed to bring together knowledge collection and formalization, model experiment design and model testing in
order to advance crop modeling toward reduced uncertainty in crop model applications.

Earth's Future

10.1029/2023EF003773

MÜLLER ET AL.

15 of 21

 23284277, 2024, 3, Downloaded from https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2023EF003773 by CochraneAustria, Wiley Online Library on [14/03/2024]. See the Terms and Conditions (https://onlinelibrary.wiley.com/terms-and-conditions) on Wiley Online Library for rules of use; OA articles are governed by the applicable Creative Commons License

Page 16

Figures and page graphics, page 16

Appendix A: Additional Tables

The appendix contains a table with the overview of the Phase 2 Experiment simulation setup (Table

A1

) and a list

of DOIs for the Output Data Sets (Table

A2

).

Data Availability Statement

The simulation outputs of GGCMI Phase 2 output variables that we analyze here (Balkovic et al.,

2019a

,

2019b

,

2019c

,

2019d

,

2019e

; Dury et al.,

2019a

,

2019b

,

2019c

,

2019d

,

2019e

; Elliott,

2019a

,

2019b

,

2019c

,

2019d

,

2019e

; Falloon & Williams,

2019a

,

2019b

,

2019c

,

2019d

; Folberth,

2019a

,

2019b

,

2019c

,

2019d

,

2019e

;

Hoffmann & Koch,

2019a

,

2019b

,

2019c

,

2019d

,

2019e

; W. Liu,

2019a

,

2019b

,

2019c

,

2019d

,

2019e

;

Müller,

2019a

,

2019b

,

2019c

,

2019d

,

2019e

; Pugh et al.,

2019a

,

2019b

,

2019c

; Reddy et al.,

2019a

,

2019b

,

2019c

,

2019d

,

2019e

; X. Wang & Ciais,

2019a

,

2019b

,

2019c

; Zabel et al.,

2019a

,

2019b

,

2019c

,

2019d

,

2019e

) are

available on

zenodo.org

. See Table

A2

for data DOIs. Due to data size, the archive had to be split in several

archives. All scripts used for processing the data in this analysis are available at

zenodo.org

(Müller,

2024

).

Table A1

Global Gridded Crop Model Intercomparison Phase 2 Experiment Levels

Input variable

Label

Simulated levels

Unit

Atmospheric CO

2

C

360, 510, 660, 810

ppm

Temperature

T

−

1, 0, 1, 2, 3, 4, 6

°C

Applied nitrogen

N

10, 60, 200

kg ha

−

1

Note.

Temperature and precipitation values indicate the perturbations from the historical climatology, atmospheric carbon

dioxide (CO

2

) and nitrogen values indicate absolute levels used in the simulations. Simulations with unlimited irrigation

(W

inf

) and adapted cultivars (A1) are shown for completeness only, but were not considered in this analysis. NA, not

applicable.

Table A2

List of DOIs for Global Gridded Crop Model Intercomparison Phase 2 Output Data Sets (Franke et al.,

2020a

,

2020b

)

Model

Maize

Soybean

Rice

Winter wheat

Spring wheat

APSIM‐UGOE

2582531

2582535

2582533

2582537

2582539

CARAIB

2582499

2582508

2582504

2582516

2582522

EPIC‐IIASA

2582453

2582461

2582457

2582463

2582465

EPIC‐TAMU

2582349

2582367

2582352

2582392

2582418

JULES

2582543

2582547

2582545

–

2582551

GEPIC

2582247

2582258

2582251

2582260

2582263

LPJ‐GUESS

2581625

–

–

2581638

2581640

LPJmL

2581356

2581498

2581436

2581565

2581606

ORCHIDEE‐crop

2582441

–

2582445

2582449

–

pDSSAT

2582111

2582147

2582127

2582163

2582178

PEPIC

2582341

2582433

2582343

2582439

2582455

PROMET

2582467

2582488

2582479

2582490

2582492

Note.

The data URL can be constructed by replacing “XX” in “

https://doi.org/10.5281/zenodo.XX

” with the values in the

table for the data set of interest (e.g.,

https://doi.org/10.5281/zenodo.2582531

for maize data simulated by APSIM‐UGOE).

The GGCMI Phase 2 data archive had to be split in several archives, because data sets were too large for hosting as one
data set.

Earth's Future

10.1029/2023EF003773

MÜLLER ET AL.

16 of 21

 23284277, 2024, 3, Downloaded from https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2023EF003773 by CochraneAustria, Wiley Online Library on [14/03/2024]. See the Terms and Conditions (https://onlinelibrary.wiley.com/terms-and-conditions) on Wiley Online Library for rules of use; OA articles are governed by the applicable Creative Commons License

Page 17

Figures and page graphics, page 17

References

Albanito, F., McBey, D., Harrison, M., Smith, P., Ehrhardt, F., Bhatia, A., et al. (2022). How modelers model: The overlooked social and human

dimensions in model intercomparison studies.

Environmental Science & Technology

,

56

(18), 13485–13498.

https://doi.org/10.1021/acs.est.

2c02023

Asseng, S., Ewert, F., Martre, P., Rötter, R. P., Lobell, D. B., Cammarano, D., et al. (2015). Rising temperatures reduce global wheat production.

Nature Climate Change

,

5

(2), 143–147.

https://doi.org/10.1038/nclimate2470

Asseng, S., Martre, P., Maiorano, A., Rötter, R. P., O’Leary, G. J., Fitzgerald, G. J., et al. (2019). Climate change impact and adaptation for wheat

protein.

Global Change Biology

,

25

(1), 155–173.

https://doi.org/10.1111/gcb.14481

Balkovic, J., Khabarov, N., & Skalsky, R. (2019a). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive:

Priority 1 outputs from EPIC‐IIASA maize simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/zenodo.2582453

Balkovic, J., Khabarov, N., & Skalsky, R. (2019b). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive:

Priority 1 outputs from EPIC‐IIASA rice simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/zenodo.2582457

Balkovic, J., Khabarov, N., & Skalsky, R. (2019c). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive:

Priority 1 outputs from EPIC‐IIASA soybean simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/zenodo.2582461

Balkovic, J., Khabarov, N., & Skalsky, R. (2019d). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive:

Priority 1 outputs from EPIC‐IIASA spring wheat simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/zenodo.2582465

Balkovic, J., Khabarov, N., & Skalsky, R. (2019e). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive:

Priority 1 outputs from EPIC‐IIASA winter wheat simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/zenodo.2582463

Balkovič, J., van der Velde, M., Skalský, R., Xiong, W., Folberth, C., Khabarov, N., et al. (2014). Global wheat production potentials and

management flexibility under the representative concentration pathways.

Global and Planetary Change

,

122

, 107–121.

https://doi.org/10.

1016/j.gloplacha.2014.08.010

Boote, K. J., Jones, J. W., White, J. W., Asseng, S., & Lizaso, J. I. (2013). Putting mechanisms into crop production models.

Plant, Cell and

Environment

,

36

(9), 1658–1672.

https://doi.org/10.1111/pce.12119

Brown, H., Huth, N., & Holzworth, D. (2018). Crop model improvement in APSIM: Using wheat as a case study.

European Journal of Agronomy

,

100

, 141–150.

https://doi.org/10.1016/j.eja.2018.02.002

Cammarano, D., Rötter, R. P., Asseng, S., Ewert, F., Wallach, D., Martre, P., et al. (2016). Uncertainty of wheat water use: Simulated patterns and

sensitivity to temperature and CO

2

.

Field Crops Research

,

198

, 80–92.

https://doi.org/10.1016/j.fcr.2016.08.015

Cetin, M., Alsenjar, O., Aksu, H., Golpinar, M. S., & Akgul, M. A. (2023). Estimation of crop water stress index and leaf area index based on

remote sensing data.

Water Supply

,

23

(3), 1390–1404.

https://doi.org/10.2166/ws.2023.051

Couëdel, A., Edreira, J. I. R., Pisa Lollato, R., Archontoulis, S., Sadras, V., & Grassini, P. (2021). Assessing environment types for maize,

soybean, and wheat in the United States as determined by spatio‐temporal variation in drought and heat stress.

Agricultural and Forest

Meteorology

,

307

, 108513.

https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2021.108513

Doane, D. P., & Seward, L. E. (2011). Measuring skewness: A forgotten statistic?

Journal of Statistics Education

,

19

(2), 18.

https://doi.org/10.

1080/10691898.2011.11889611

Dury, M., Francois, L., & Jacquemin, I. (2019a). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive:

Priority 1 outputs from CARAIB maize simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/zenodo.2582499

Dury, M., Francois, L., & Jacquemin, I. (2019b). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive:

Priority 1 outputs from CARAIB rice simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/zenodo.2582504

Dury, M., Francois, L., & Jacquemin, I. (2019c). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive:

Priority 1 outputs from CARAIB soybean simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/zenodo.2582508

Dury, M., Francois, L., & Jacquemin, I. (2019d). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive:

Priority 1 outputs from CARAIB spring wheat simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/zenodo.2582522

Dury, M., Francois, L., & Jacquemin, I. (2019e). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive:

Priority 1 outputs from CARAIB winter wheat simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/zenodo.2582516

Dury, M., Hambuckers, A., Warnant, P., Henrot, A., Favre, E., Ouberdous, M., & François, L. (2011). Responses of European forest ecosystems to

21st century climate: Assessing changes in interannual variability and fire intensity.

iForest: Biogeosciences and Forestry

,

4

(2), 82–99.

https://

doi.org/10.3832/ifor0572‐004

Elliott, J. (2019a). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive: Priority 1 outputs from pDSSAT

maize simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/ZENODO.2582111

Elliott, J. (2019b). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive: Priority 1 outputs from pDSSAT

rice simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/ZENODO.2582127

Elliott, J. (2019c). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive: Priority 1 outputs from pDSSAT

soybean simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/ZENODO.2582147

Elliott, J. (2019d). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive: Priority 1 outputs from pDSSAT

spring wheat simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/ZENODO.2582178

Elliott, J. (2019e). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive: Priority 1 outputs from pDSSAT

winter wheat simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/ZENODO.2582163

Elliott, J., Kelly, D., Chryssanthacopoulos, J., Glotter, M., Jhunjhnuwala, K., Best, N., et al. (2014). The parallel system for integrating impact

models and sectors (pSIMS).

Environmental Modelling and Software

,

62

, 509–516.

https://doi.org/10.1016/j.envsoft.2014.04.008

Elliott, J., Müller, C., Deryng, D., Chryssanthacopoulos, J., Boote, K. J., Büchner, M., et al. (2015). The Global Gridded Crop Model Inter-

comparison: Data and modeling protocols for Phase 1 (v1.0).

Geoscientific Model Development

,

8

(2), 261–277.

https://doi.org/10.5194/gmd‐8‐

261‐2015

Eyring, V., Bock, L., Lauer, A., Righi, M., Schlund, M., Andela, B., et al. (2020). Earth System Model Evaluation Tool (ESMValTool) v2.0 – An

extended set of large‐scale diagnostics for quasi‐operational and comprehensive evaluation of Earth system models in CMIP.

Geoscientific

Model Development

,

13

(7), 3383–3438.

https://doi.org/10.5194/gmd‐13‐3383‐2020

Falloon, P., & Williams, K. (2019a). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive: Priority 1 outputs

from JULES maize simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/ZENODO.2582543

Falloon, P., & Williams, K. (2019b). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive: Priority 1

outputs from JULES rice simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/ZENODO.2582545

Falloon, P., & Williams, K. (2019c). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive: Priority 1 outputs

from JULES soybean simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/ZENODO.2582547

Acknowledgments

J.J. was supported by the NASA GISS
Climate Impacts Group and the Open
Philanthropy Project. J.F. was supported
by the NSF NRT program (Grant DGE‐
1735359) and the NSF Graduate Research
Fellowship Program (Grant DGE‐
1746045). A.C.R. received support from
the NASA Earth Sciences Division via the
GISS Climate Impacts Group. S.O. and T.
P. acknowledge support from the Swedish
strong research areas BECC and MERGE,
together with support from LUCCI (Lund
University Centre for studies of Carbon
Cycle and Climate Interactions). W.L. was
supported by the National Natural Science
Foundation of China (Grant
32361143871). X.W. acknowledges
support from the National Natural Science
Foundation of China (Grant 42171096).
Open Access funding enabled and
organized by Projekt DEAL.

Earth's Future

10.1029/2023EF003773

MÜLLER ET AL.

17 of 21

 23284277, 2024, 3, Downloaded from https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2023EF003773 by CochraneAustria, Wiley Online Library on [14/03/2024]. See the Terms and Conditions (https://onlinelibrary.wiley.com/terms-and-conditions) on Wiley Online Library for rules of use; OA articles are governed by the applicable Creative Commons License

Page 18

Figures and page graphics, page 18

Falloon, P., & Williams, K. (2019d). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive: Priority 1

outputs from JULES spring wheat simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/ZENODO.2582551

Folberth, C. (2019a). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive: Priority 1 outputs from GEPIC

maize simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/ZENODO.2582247

Folberth, C. (2019b). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive: Priority 1 outputs from GEPIC

rice simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/ZENODO.2582251

Folberth, C. (2019c). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive: Priority 1 outputs from GEPIC

soybean simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/ZENODO.2582258

Folberth, C. (2019d). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive: Priority 1 outputs from GEPIC

spring wheat simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/ZENODO.2582263

Folberth, C. (2019e). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive: Priority 1 outputs from GEPIC

winter wheat simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/ZENODO.2582260

Folberth, C., Elliott, J., Müller, C., Balkovič, J., Chryssanthacopoulos, J., Izaurralde, R. C., et al. (2019). Parameterization‐induced uncertainties

and impacts of crop management harmonization in a global gridded crop model ensemble.

PLoS One

,

14

(9), 1–36.

https://doi.org/10.1371/

journal.pone.0221862

Folberth, C., Gaiser, T., Abbaspour, K. C., Schulin, R., & Yang, H. (2012). Regionalization of a large‐scale crop growth model for sub‐Saharan

Africa: Model setup, evaluation, and estimation of maize yields.

Agriculture, Ecosystems & Environment

,

151

, 21–33.

https://doi.org/10.1016/

j.agee.2012.01.026

Franke, J. A., Müller, C., Elliott, J., Ruane, A. C., Jägermeyr, J., Balkovic, J., et al. (2020a). The GGCMI Phase 2 experiment: Global gridded crop

model simulations under uniform changes in CO

2

, temperature, water, and nitrogen levels (protocol version 1.0).

Geoscientific Model

Development

,

13

(5), 2315–2336.

https://doi.org/10.5194/gmd‐13‐2315‐2020

Franke, J. A., Müller, C., Elliott, J., Ruane, A. C., Jägermeyr, J., Snyder, A., et al. (2020b). The GGCMI Phase 2 emulators: Global gridded crop

model responses to changes in CO

2

, temperature, water, and nitrogen (version 1.0).

Geoscientific Model Development

,

13

(9), 3995–4018.

https://doi.org/10.5194/gmd‐13‐3995‐2020

Franke, J. A., Müller, C., Minoli, S., Elliott, J., Folberth, C., Gardner, C., et al. (2022). Agricultural breadbaskets shift poleward given adaptive

farmer behavior under climate change.

Global Change Biology

,

28

(1), 167–181.

https://doi.org/10.1111/gcb.15868

Fronzek, S., Pirttioja, N., Carter, T. R., Bindi, M., Hoffmann, H., Palosuo, T., et al. (2018). Classifying multi‐model wheat yield impact response

surfaces showing sensitivity to temperature and precipitation change.

Agricultural Systems

,

159

, 209–224.

https://doi.org/10.1016/j.agsy.2017.

08.004

Gommes, R., Wu, B., Li, Z., & Zeng, H. (2016). Design and characterization of spatial units for monitoring global impacts of environmental

factors on major crops and food security.

Food and Energy Security

,

5

(1), 40–55.

https://doi.org/10.1002/fes3.73

Hank, T., Bach, H., & Mauser, W. (2015). Using a remote sensing‐supported hydro‐agroecological model for field‐scale simulation of hetero-

geneous crop growth and yield: Application for wheat in central Europe.

Remote Sensing

,

7

(4), 3934–3965.

https://doi.org/10.3390/rs70403934

Hawkins, E., & Sutton, R. (2011). The potential to narrow uncertainty in projections of regional precipitation change.

Climate Dynamics

,

37

(1),

407–418.

https://doi.org/10.1007/s00382‐010‐0810‐6

Hoffmann, M., & Koch, M. (2019a). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive: Priority 1

outputs from APSIM‐UGOE maize simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/zenodo.2582531

Hoffmann, M., & Koch, M. (2019b). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive: Priority 1

outputs from APSIM‐UGOE rice simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/zenodo.2582533

Hoffmann, M., & Koch, M. (2019c). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive: Priority 1

outputs from APSIM‐UGOE soybean simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/zenodo.2582535

Hoffmann, M., & Koch, M. (2019d). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive: Priority 1

outputs from APSIM‐UGOE spring wheat simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/zenodo.2582539

Hoffmann, M., & Koch, M. (2019e). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive: Priority 1

outputs from APSIM‐UGOE winter wheat simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/zenodo.2582537

Holzworth, D. P., Huth, N. I., de Voil, P. G., Zurcher, E. J., Herrmann, N. I., McLean, G., et al. (2014). APSIM – Evolution towards a new

generation of agricultural systems simulation.

Environmental Modelling and Software

,

62

, 327–350.

https://doi.org/10.1016/j.envsoft.2014.

07.009

Horak, J., Hofer, M., Gutmann, E., Gohm, A., & Rotach, M. W. (2021). A process‐based evaluation of the Intermediate Complexity Atmospheric

Research Model (ICAR) 1.0.1.

Geoscientific Model Development

,

14

(3), 1657–1680.

https://doi.org/10.5194/gmd‐14‐1657‐2021

Izaurralde, R., Williams, J., Mcgill, W., Rosenberg, N., & Quiroga Jakas, M. (2006). Simulating soil C dynamics with EPIC: Model description

and testing against long‐term data.

Ecological Modelling

,

192

(3–4), 362–384.

https://doi.org/10.1016/j.ecolmodel.2005.07.010

Jägermeyr, J., Müller, C., Ruane, A. C., Elliott, J., Balkovic, J., Castillo, O., et al. (2021). Climate impacts on global agriculture emerge earlier in

new generation of climate and crop models.

Nature Food

,

2

(11), 873–885.

https://doi.org/10.1038/s43016‐021‐00400‐y

Jarvis, D. I., Brown, A. H. D., Cuong, P. H., Collado‐Panduro, L., Latournerie‐Moreno, L., Gyawali, S., et al. (2008). A global perspective of the

richness and evenness of traditional crop‐variety diversity maintained by farming communities.

Proceedings of the National Academy of

Sciences of the United States of America

,

105

(14), 5326–5331.

https://doi.org/10.1073/pnas.0800607105

Jiang, J., Atkinson, P. M., Chen, C., Cao, Q., Tian, Y., Zhu, Y., et al. (2023). Combining UAV and Sentinel‐2 satellite multi‐spectral images to

diagnose crop growth and N status in winter wheat at the county scale.

Field Crops Research

,

294

, 108860.

https://doi.org/10.1016/j.fcr.2023.

108860

Jin, X., Kumar, L., Li, Z., Feng, H., Xu, X., Yang, G., & Wang, J. (2018). A review of data assimilation of remote sensing and crop models.

European Journal of Agronomy

,

92

, 141–152.

https://doi.org/10.1016/j.eja.2017.11.002

Jones, J., Hoogenboom, G., Porter, C., Boote, K., Batchelor, W., Hunt, L., et al. (2003). The DSSAT cropping system model.

European Journal of

Agronomy

,

18

(3), 235–265.

https://doi.org/10.1016/s1161‐0301(02)00107‐7

Keating, B., Carberry, P., Hammer, G., Probert, M., Robertson, M., Holzworth, D., et al. (2003). An overview of APSIM, a model designed for

farming systems simulation.

European Journal of Agronomy

,

18

(3), 267–288.

https://doi.org/10.1016/s1161‐0301(02)00108‐9

Kelley, D. I., Prentice, I. C., Harrison, S. P., Wang, H., Simard, M., Fisher, J. B., & Willis, K. O. (2013). A comprehensive benchmarking system

for evaluating global vegetation models.

Biogeosciences

,

10

(5), 3313–3340.

https://doi.org/10.5194/bg‐10‐3313‐2013

Kimball, B. A., Boote, K. J., Hatfield, J. L., Ahuja, L. R., Stockle, C., Archontoulis, S., et al. (2019). Simulation of maize evapotranspiration: An

inter‐comparison among 29 maize models.

Agricultural and Forest Meteorology

,

271

, 264–284.

https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2019.

02.037

Earth's Future

10.1029/2023EF003773

MÜLLER ET AL.

18 of 21

 23284277, 2024, 3, Downloaded from https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2023EF003773 by CochraneAustria, Wiley Online Library on [14/03/2024]. See the Terms and Conditions (https://onlinelibrary.wiley.com/terms-and-conditions) on Wiley Online Library for rules of use; OA articles are governed by the applicable Creative Commons License

Page 19

Figures and page graphics, page 19

Kostková, M., Hlavinka, P., Pohanková, E., Kersebaum, K. C., Nendel, C., Gobin, A., et al. (2021). Performance of 13 crop simulation models and

their ensemble for simulating four field crops in Central Europe.

The Journal of Agricultural Science

,

159

(1–2), 69–89.

https://doi.org/10.1017/

S0021859621000216

Kummu, M., Heino, M., Taka, M., Varis, O., & Viviroli, D. (2021). Climate change risks pushing one‐third of global food production outside the

safe climatic space.

One Earth

,

4

(5), 720–729.

https://doi.org/10.1016/j.oneear.2021.04.017

Li, T., Angeles, O., Marcaida, M., Manalo, E., Manalili, M. P., Radanielson, A., & Mohanty, S. (2017). From ORYZA2000 to ORYZA (v3): An

improved simulation model for rice in drought and nitrogen‐deficient environments.

Agricultural and Forest Meteorology

,

237–238

, 246–256.

https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2017.02.025

Li, Y., Guan, K., Schnitkey, G. D., DeLucia, E., & Peng, B. (2019). Excessive rainfall leads to maize yield loss of a comparable magnitude to

extreme drought in the United States.

Global Change Biology

,

25

(7), 2325–2337.

https://doi.org/10.1111/gcb.14628

Lindeskog, M., Arneth, A., Bondeau, A., Waha, K., Seaquist, J., Olin, S., & Smith, B. (2013). Implications of accounting for land use in sim-

ulations of ecosystem carbon cycling in Africa.

Earth System Dynamics

,

4

(2), 385–407.

https://doi.org/10.5194/esd‐4‐385‐2013

Liu, D., Mishra, A. K., & Ray, D. K. (2020). Sensitivity of global major crop yields to climate variables: A non‐parametric elasticity analysis.

Science of the Total Environment

,

748

, 141431.

https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.141431

Liu, J., Williams, J. R., Zehnder, A. J., & Yang, H. (2007). GEPIC ‐ Modelling wheat yield and crop water productivity with high resolution on a

global scale.

Agricultural Systems

,

94

(2), 478–493.

https://doi.org/10.1016/j.agsy.2006.11.019

Liu, W. (2019a). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive: Priority 1 outputs from PEPIC maize

simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/ZENODO.2582341

Liu, W. (2019b). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive: Priority 1 outputs from PEPIC rice

simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/ZENODO.2582343

Liu, W. (2019c). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive: Priority 1 outputs from PEPIC

soybean simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/ZENODO.2582433

Liu, W. (2019d). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive: Priority 1 outputs from PEPIC

spring wheat simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/ZENODO.2582455

Liu, W. (2019e). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive: Priority 1 outputs from PEPIC

winter wheat simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/ZENODO.2582439

Liu, W., Yang, H., Folberth, C., Müller, C., Ciais, P., Abbaspour, K. C., & Schulin, R. (2018). Achieving high crop yields with low nitrogen

emissions in global agricultural input intensification.

Environmental Science & Technology

,

52

(23), 13782–13791.

https://doi.org/10.1021/acs.

est.8b03610

Liu, W., Yang, H., Folberth, C., Wang, X., Luo, Q., & Schulin, R. (2016). Global investigation of impacts of PET methods on simulating crop‐

water relations for maize.

Agricultural and Forest Meteorology

,

221

, 164–175.

https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2016.02.017

Liu, W., Yang, H., Liu, J., Azevedo, L. B., Wang, X., Xu, Z., et al. (2016). Global assessment of nitrogen losses and trade‐offs with yields from

major crop cultivations.

Science of the Total Environment

,

572

, 526–537.

https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2016.08.093

Ma, J., Olin, S., Anthoni, P., Rabin, S. S., Bayer, A. D., Nyawira, S. S., & Arneth, A. (2022). Modeling symbiotic biological nitrogen fixation in

grain legumes globally with LPJ‐GUESS (v4.0, r10285).

Geoscientific Model Development

,

15

(2), 815–839.

https://doi.org/10.5194/gmd‐15‐

815‐2022

Maiorano, A., Martre, P., Asseng, S., Ewert, F., Müller, C., Rötter, R. P., et al. (2017). Crop model improvement reduces the uncertainty of the

response to temperature of multi‐model ensembles.

Field Crops Research

,

202

, 5–20.

https://doi.org/10.1016/j.fcr.2016.05.001

Martre, P., Wallach, D., Asseng, S., Ewert, F., Jones, J. W., Rötter, R. P., et al. (2015). Multimodel ensembles of wheat growth: Many models are

better than one.

Global Change Biology

,

21

(2), 911–925.

https://doi.org/10.1111/gcb.12768

Mauser, W., & Bach, H. (2015). PROMET ‐ Large scale distributed hydrological modelling to study the impact of climate change on the water

flows of mountain watersheds.

Journal of Hydrology

,

376

(8946), 362–377.

https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2009.07.046

Mauser, W., Klepper, G., Zabel, F., Delzeit, R., Hank, T., Putzenlechner, B., & Calzadilla, A. (2009). Global biomass production potentials exceed

expected future demand without the need for cropland expansion.

Nature Communications

,

6

(3), 8946.

https://doi.org/10.1038/ncomms9946

Minoli, S., Müller, C., Elliott, J., Ruane, A. C., Jägermeyr, J., Zabel, F., et al. (2019). Global response patterns of major rainfed crops to adaptation

by maintaining current growing periods and irrigation.

Earth’s Future

,

7

(12), 1464–1480.

https://doi.org/10.1029/2018EF001130

Monerie, P.‐A., Wainwright, C. M., Sidibe, M., & Akinsanola, A. A. (2020). Model uncertainties in climate change impacts on Sahel precipitation

in ensembles of CMIP5 and CMIP6 simulations.

Climate Dynamics

,

55

(5–6), 1385–1401.

https://doi.org/10.1007/s00382‐020‐05332‐0

Müller, C. (2019a). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive: Priority 1 outputs from LPJmL

maize simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/ZENODO.2581356

Müller, C. (2019b). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive: Priority 1 outputs from LPJmL

rice simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/ZENODO.2581436

Müller, C. (2019c). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive: Priority 1 outputs from LPJmL

soybean simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/ZENODO.2581498

Müller, C. (2019d). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive: Priority 1 outputs from LPJmL

spring wheat simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/ZENODO.2581606

Müller, C. (2019e). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive: Priority 1 outputs from LPJmL

winter wheat simulations. [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/ZENODO.2581565

Müller, C. (2024). Set of R scripts for GGCMI data processing as used in “Müller et al. 2023: Substantial differences in crop yield sensitivities

between models call for functionality‐based model evaluation” [Software].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/zenodo.10520392

Müller, C., Elliott, J., Chryssanthacopoulos, J., Arneth, A., Balkovic, J., Ciais, P., et al. (2017). Global gridded crop model evaluation: Bench-

marking, skills, deficiencies and implications.

Geoscientific Model Development

,

10

(4), 1403–1422.

https://doi.org/10.5194/gmd‐10‐1403‐

2017

Müller, C., Elliott, J., Kelly, D., Arneth, A., Balkovic, J., Ciais, P., et al. (2019). The global gridded crop model intercomparison phase 1 simulation

dataset.

Scientific Data

,

6

(1), 1–22.

https://doi.org/10.1038/s41597‐019‐0023‐8

Müller, C., Franke, J., Jägermeyr, J., Ruane, A. C., Elliott, J., Moyer, E., et al. (2021). Exploring uncertainties in global crop yield projections in a

large ensemble of crop models and cmip5 and cmip6 climate scenarios.

Environmental Research Letters

,

16

(3), 034040.

https://doi.org/10.

1088/1748‐9326/abd8fc

Olin, S., Schurgers, G., Lindeskog, M., Wårlind, D., Smith, B., Bodin, P., et al. (2015). Modelling the response of yields and tissue C: N to changes

in atmospheric CO

2

and N management in the main wheat regions of western Europe.

Biogeosciences

,

12

(8), 2489–2515.

https://doi.org/10.

5194/bg‐12‐2489‐2015

Earth's Future

10.1029/2023EF003773

MÜLLER ET AL.

19 of 21

 23284277, 2024, 3, Downloaded from https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2023EF003773 by CochraneAustria, Wiley Online Library on [14/03/2024]. See the Terms and Conditions (https://onlinelibrary.wiley.com/terms-and-conditions) on Wiley Online Library for rules of use; OA articles are governed by the applicable Creative Commons License

Page 20

Figures and page graphics, page 20

Osborne, T., Gornall, J., Hooker, J., Williams, K., Wiltshire, A., Betts, R., & Wheeler, T. (2015). JULES‐crop: A parametrisation of crops in the

Joint UK Land Environment Simulator.

Geoscientific Model Development

,

8

(4), 1139–1155.

https://doi.org/10.5194/gmd‐8‐1139‐2015

Palosuo, T., Kersebaum, K. C., Angulo, C., Hlavinka, P., Moriondo, M., Olesen, J. E., et al. (2011). Simulation of winter wheat yield and its

variability in different climates of Europe: A comparison of eight crop growth models.

European Journal of Agronomy

,

35

(3), 103–114.

https://

doi.org/10.1016/j.eja.2011.05.001

Pirttioja, N., Carter, T. R., Fronzek, S., Bindi, M., Hoffmann, H., Palosuo, T., et al. (2015). Temperature and precipitation effects on wheat yield

across a European transect: A crop model ensemble analysis using impact response surfaces.

Climate Research

,

65

, 87–105.

https://doi.org/10.

3354/cr01322

Portmann, F. T., Siebert, S., & Döll, P. (2010). MIRCA2000—Global monthly irrigated and rainfed crop areas around the year 2000: A new high‐

resolution data set for agricultural and hydrological modeling.

Global Biogeochemical Cycles

,

24

(1).

https://doi.org/10.1029/2008GB003435

Pugh, T. A. M., Olin, S., & Arneth, A. (2019a). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive:

Priority 1 outputs from LPJ‐GUESS maize simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/ZENODO.2581625

Pugh, T. A. M., Olin, S., & Arneth, A. (2019b). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive:

Priority 1 outputs from LPJ‐GUESS spring wheat simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/ZENODO.2581640

Pugh, T. A. M., Olin, S., & Arneth, A. (2019c). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive:

Priority 1 outputs from LPJ‐GUESS winter wheat simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/ZENODO.2581638

Qiao, L., Wang, X., Smith, P., Fan, J., Lu, Y., Emmett, B., et al. (2022). Soil quality both increases crop production and improves resilience to

climate change.

Nature Climate Change

,

12

(6), 574–580.

https://doi.org/10.1038/s41558‐022‐01376‐8

R Core Team. (2021). R: A language and environment for statistical computing [Computer software manual].

Vienna, Austria

. Retrieved from

https://www.R‐project.org/

Reddy, A., Jones, C., & Izaurralde, R. C. (2019a). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive:

Priority 1 outputs from EPIC‐TAMU maize simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/ZENODO.2582349

Reddy, A., Jones, C., & Izaurralde, R. C. (2019b). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive:

Priority 1 outputs from EPIC‐TAMU rice simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/ZENODO.2582352

Reddy, A., Jones, C., & Izaurralde, R. C. (2019c). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive:

Priority 1 outputs from EPIC‐TAMU soybean simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/ZENODO.2582367

Reddy, A., Jones, C., & Izaurralde, R. C. (2019d). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive:

Priority 1 outputs from EPIC‐TAMU spring wheat simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/ZENODO.2582418

Reddy, A., Jones, C., & Izaurralde, R. C. (2019e). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive:

Priority 1 outputs from epic‐tamu winter wheat simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/ZENODO.2582392

Rosenzweig, C., Elliott, J., Deryng, D., Ruane, A. C., Müller, C., Arneth, A., et al. (2014). Assessing agricultural risks of climate change in the 21st

century in a global gridded crop model intercomparison.

Proceedings of the National Academy of Sciences

,

111

(9), 3268–3273.

https://doi.org/

10.1073/pnas.1222463110

Rosenzweig, C., Jones, J. W., Hatfield, J. L., Ruane, A. C., Boote, K. J., Thorburn, P., et al. (2013). The Agricultural Model Intercomparison and

Improvement Project (AgMIP): Protocols and pilot studies.

Agricultural and Forest Meteorology

,

170

, 166–182.

https://doi.org/10.1016/j.

agrformet.2012.09.011

Rötter, R. P., Carter, T. R., Olesen, J. E., & Porter, J. R. (2011). Crop–climate models need an overhaul.

Nature Climate Change

,

1

(4), 175–177.

https://doi.org/10.1038/nclimate1152

Ruane, A. C., Phillips, M., Müller, C., Elliott, J., Jägermeyr, J., Arneth, A., et al. (2021). Strong regional influence of climatic forcing datasets on

global crop model ensembles.

Agricultural and Forest Meteorology

,

300

, 108313.

https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2020.108313

Ruane, A. C., Phillips, M. M., & Rosenzweig, C. (2018). Climate shifts within major agricultural seasons for

+

1.5 and

+

2.0°C worlds: HAPPI

projections and AgMIP modeling scenarios.

Agricultural and Forest Meteorology

,

259

, 329–344.

https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2018.

05.013

Ruane, A. C., Rosenzweig, C., Asseng, S., Boote, K. J., Elliott, J., Ewert, F., et al. (2017). An AgMIP framework for improved agricultural

representation in integrated assessment models.

Environmental Research Letters

,

12

(12), 125003.

https://doi.org/10.1088/1748‐9326/aa8da6

Ruane, A. C., Vautard, R., Ranasinghe, R., Sillmann, J., Coppola, E., Arnell, N., et al. (2022). The climatic impact‐driver framework for

assessment of risk‐relevant climate information.

Earth’s Future

,

10

(11), e2022EF002803.

https://doi.org/10.1029/2022EF002803

Schauberger, B., Archontoulis, S., Arneth, A., Balkovic, J., Ciais, P., Deryng, D., et al. (2017). Consistent negative response of US crops to high

temperatures in observations and crop models.

Nature Communications

,

8

(1), 13931.

https://doi.org/10.1038/ncomms13931

Schauberger, B., Rolinski, S., & Müller, C. (2016). A network‐based approach for semi‐quantitative knowledge mining and its application to yield

variability.

Environmental Research Letters

,

11

(12), 123001.

https://doi.org/10.1088/1748‐9326/11/12/123001

Schleussner, C.‐F., Deryng, D., Müller, C., Elliott, J., Saeed, F., Folberth, C., et al. (2018). Crop productivity changes in 1.5°C and 2°C worlds

under climate sensitivity uncertainty.

Environmental Research Letters

,

13

(6), 064007.

https://doi.org/10.1088/1748‐9326/aab63b

Schneck, R., Gayler, V., Nabel, J. E. M. S., Raddatz, T., Reick, C. H., & Schnur, R. (2022). Assessment of JSBACHv4.30 as a land component of

ICON‐ESM‐V1 in comparison to its predecessor JSBACHv3.2 of MPI‐ESM1.2.

Geoscientific Model Development

,

15

(22), 8581–8611.

https://doi.org/10.5194/gmd‐15‐8581‐2022

Sharpley, A., & Williams, J. (1990).

EPIC‐Erosion/Productivity Impact Calculator: 1. Model documentation

. (No. Technical Bulletin No. 1768).

US Department of Agriculture. Retrieved from

https://epicapex.tamu.edu/media/h2gkyznv/epicmodeldocumentation.pdf

Stevanović, M., Popp, A., Lotze‐Campen, H., Dietrich, J. P., Müller, C., Bonsch, M., et al. (2016). The impact of high‐end climate change on

agricultural welfare.

Science Advances

,

2

(8), e1501452.

https://doi.org/10.1126/sciadv.1501452

Tao, F., Palosuo, T., Rötter, R. P., Díaz‐Ambrona, C. G. H., Inés Mínguez, M., Semenov, M. A., et al. (2020). Why do crop models diverge

substantially in climate impact projections? A comprehensive analysis based on eight barley crop models.

Agricultural and Forest Meteo-

rology

,

281

, 107851.

https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2019.107851

Tebaldi, C., Debeire, K., Eyring, V., Fischer, E., Fyfe, J., Friedlingstein, P., et al. (2021). Climate model projections from the Scenario Model

Intercomparison Project (ScenarioMIP) of CMIP6.

Earth System Dynamics Discussions

,

12

(1), 253–293.

https://doi.org/10.5194/esd‐12‐253‐

2021

Toreti, A., Deryng, D., Tubiello, F. N., Müller, C., Kimball, B. A., Moser, G., et al. (2020). Narrowing uncertainties in the effects of elevated CO

2

on crops.

Nature Food

,

1

(12), 775–782.

https://doi.org/10.1038/s43016‐020‐00195‐4

Valade, A., Ciais, P., Vuichard, N., Viovy, N., Caubel, A., Huth, N., et al. (2014). Modeling sugarcane yield with a process‐based model from site

to continental scale: Uncertainties arising from model structure and parameter values.

Geoscientific Model Development

,

7

(3), 1225–1245.

https://doi.org/10.5194/gmd‐7‐1225‐2014

Earth's Future

10.1029/2023EF003773

MÜLLER ET AL.

20 of 21

 23284277, 2024, 3, Downloaded from https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2023EF003773 by CochraneAustria, Wiley Online Library on [14/03/2024]. See the Terms and Conditions (https://onlinelibrary.wiley.com/terms-and-conditions) on Wiley Online Library for rules of use; OA articles are governed by the applicable Creative Commons License

Page 21

Figures and page graphics, page 21

van Ittersum, M. K., Cassman, K. G., Grassini, P., Wolf, J., Tittonell, P., & Hochman, Z. (2013). Yield gap analysis with local to global relevance

—A review.

Field Crops Research

,

143

, 4–17.

https://doi.org/10.1016/j.fcr.2012.09.009

von Bloh, W., Schaphoff, S., Müller, C., Rolinski, S., Waha, K., & Zaehle, S. (2018). Implementing the nitrogen cycle into the dynamic global

vegetation, hydrology, and crop growth model LPJmL (version 5.0).

Geoscientific Model Development

,

11

(7), 2789–2812.

https://doi.org/10.

5194/gmd‐11‐2789‐2018

Wang, E., He, D., Wang, J., Lilley, J. M., Christy, B., Hoffmann, M. P., et al. (2022). How reliable are current crop models for simulating growth

and seed yield of canola across global sites and under future climate change?

Climate Change

,

172

(1), 1–22.

https://doi.org/10.1007/s10584‐

022‐03375‐2

Wang, E., Martre, P., Zhao, Z., Ewert, F., Maiorano, A., Rötter, R. P., et al. (2017). The uncertainty of crop yield projections is reduced by

improved temperature response functions.

Nature Plants

,

3

(17102), 1–13.

https://doi.org/10.1038/nplants.2017.102

Wang, X., & Ciais, P. (2019a). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive: Priority 1 outputs from

ORCHIDEE‐crop maize simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/ZENODO.2582441

Wang, X., & Ciais, P. (2019b). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive: Priority 1 outputs from

ORCHIDEE‐crop rice simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/ZENODO.2582445

Wang, X., & Ciais, P. (2019c). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive: Priority 1 outputs from

ORCHIDEE‐crop winter wheat simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/ZENODO.2582449

Wiebe, K., Lotze‐Campen, H., Sands, R., Tabeau, A., van der Mensbrugghe, D., Biewald, A., et al. (2015). Climate change impacts on agriculture

in 2050 under a range of plausible socioeconomic and emissions scenarios.

Environmental Research Letters

,

10

(8), 085010.

https://doi.org/10.

1088/1748‐9326/10/8/085010

Williams, J. R. (1990). The erosion‐productivity impact calculator (EPIC) model: A case history on JSTOR.

Philosophical Transactions: Bio-

logical Sciences

,

329

(1255), 421–428.

Williams, K., & Falloon, P. D. (2015). Sources of interannual yield variability in JULES‐crop and implications for forcing with seasonal weather

forecasts.

Geoscientific Model Development

,

8

(12), 3987–3997.

https://doi.org/10.5194/gmd‐8‐3987‐2015

Williams, K., Gornall, J., Harper, A., Wiltshire, A., Hemming, D., Quaife, T., et al. (2017). Evaluation of JULES‐crop performance against site

observations of irrigated maize from Mead, Nebraska.

Geoscientific Model Development

,

10

(3), 1291–1320.

https://doi.org/10.5194/gmd‐10‐

1291‐2017

Wu, Y., Miao, C., Fan, X., Gou, J., Zhang, Q., & Zheng, H. (2022). Quantifying the uncertainty sources of future climate projections and nar-

rowing uncertainties with bias correction techniques.

Earth’s Future

,

10

(11), e2022EF002963.

https://doi.org/10.1029/2022EF002963

Yue, J., Yang, H., Yang, G., Fu, Y., Wang, H., & Zhou, C. (2023). Estimating vertically growing crop above‐ground biomass based on UAV

remote sensing.

Computers and Electronics in Agriculture

,

205

, 107627.

https://doi.org/10.1016/j.compag.2023.107627

Zabel, F., Hank, T., & Mauser, W. (2019a). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive: Priority 1

outputs from PROMET maize simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/ZENODO.2582467

Zabel, F., Hank, T., & Mauser, W. (2019b). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive: Priority 1

outputs from PROMET rice simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/ZENODO.2582479

Zabel, F., Hank, T., & Mauser, W. (2019c). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive: Priority 1

outputs from PROMET soybean simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/ZENODO.2582488

Zabel, F., Hank, T., & Mauser, W. (2019d). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive: Priority 1

outputs from PROMET spring wheat simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/ZENODO.2582492

Zabel, F., Hank, T., & Mauser, W. (2019e). AgMIP’s global gridded crop model intercomparison (GGCMI) phase II CTWN‐A archive: Priority 1

outputs from PROMET winter wheat simulations [Dataset].

Zenodo

.

https://doi.org/10.5281/ZENODO.2582490

Zabel, F., Müller, C., Elliott, J., Minoli, S., Jägermeyr, J., Schneider, J. M., et al. (2021). Large potential for crop production adaptation depends on

available future varieties.

Global Change Biology

,

27

(16), 3870–3882.

https://doi.org/10.1111/gcb.15649

Zhu, P., Zhuang, Q., Archontoulis, S. V., Bernacchi, C., & Müller, C. (2019). Dissecting the nonlinear response of maize yield to high temperature

stress with model‐data integration.

Global Change Biology

,

25

(7), 2470–2484.

https://doi.org/10.1111/gcb.14632

Earth's Future

10.1029/2023EF003773

MÜLLER ET AL.

21 of 21

 23284277, 2024, 3, Downloaded from https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2023EF003773 by CochraneAustria, Wiley Online Library on [14/03/2024]. See the Terms and Conditions (https://onlinelibrary.wiley.com/terms-and-conditions) on Wiley Online Library for rules of use; OA articles are governed by the applicable Creative Commons License


Document Outline