Les analogues climatiques peuvent catalyser - Pâtisserie Machinery Group Co., Ltd

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 9317 (2023) Citer cet article

Détails des métriques

La théorie de la communication suggère que le dialogue interactif plutôt que la transmission d'informations est nécessaire pour l'action contre le changement climatique, en particulier pour les systèmes complexes comme l'agriculture. Les analogues climatiques - des emplacements dont le climat actuel est similaire au climat futur d'un emplacement cible - ont suscité un intérêt récent en tant que transmission d'informations plus pertinentes; cependant, ils ont un potentiel inexploré pour faciliter des dialogues significatifs, et si la façon dont les analogues sont développés pourrait faire une différence. Nous avons développé des analogues spécifiques au contexte climatique basés sur des mesures climatiques pertinentes pour l'agriculture pour la production de cultures spécialisées aux États-Unis, et avons exploré leur potentiel pour faciliter les dialogues sur les options d'adaptation au climat. Plus de 80 % des comtés de cultures spécialisées des États-Unis avaient des analogues américains acceptables pour le milieu du XXIe siècle, en particulier dans l'Ouest et le Nord-Est, qui présentaient de plus grandes similitudes dans les cultures produites sur les paires cibles-analogues. Les comtés occidentaux avaient généralement des analogues au sud, et ceux des autres régions en avaient à l'ouest. Un dialogue pilote de paires cible-analogique s'est révélé prometteur pour obtenir des informations exploitables sur l'adaptation, indiquant la valeur potentielle de l'intégration plus large de dialogues analogiques dans la communication sur le changement climatique.

Les impacts potentiels du changement climatique sur divers domaines tels que la production alimentaire, les ressources naturelles et la biodiversité ont été bien établis. Cependant, la société continue de ne pas agir1. Une façon de remédier à cet échec consiste à présenter des informations plus pertinentes fondées sur des expériences passées2, et les analogues du changement climatique ont récemment attiré l'attention en tant qu'outil de communication pertinent3. L'approche analogique prend les variables climatiques futures d'un emplacement « cible » et utilise des méthodes statistiques de distance4 pour identifier les emplacements « analogues » dont les conditions climatiques actuelles ressemblent à l'avenir projeté de l'emplacement cible. Ainsi, ces appariements peuvent traduire les attentes d'un avenir inconnu en expériences connues et comparables de pairs. Des caractérisations d'analogues ont été entreprises pour le contexte urbain3, le contexte agricole5,6 et le contexte écologique général4,7 en utilisant des variables climatiques brutes telles que la température saisonnière et les précipitations. Bien que communiquer des informations plus pertinentes soit un pas dans la bonne direction, la théorie de la communication souligne que la transmission8 d'une meilleure information ne se traduit pas par elle-même en action9, nécessitant de passer d'une simple présentation de données à un dialogue interactif10,11. Les analogues peuvent servir de base à des dialogues facilités concernant l'adaptation au climat. Cependant, leur potentiel dans cet aspect est actuellement sous-exploré et non réalisé, et dépendra probablement de l'application et de la manière dont les analogues sont quantifiés.

Notre objectif est de développer des analogues acceptables et pertinents du changement climatique, en utilisant la production de cultures spécialisées aux États-Unis au milieu du XXIe siècle comme étude de cas. Nous explorons également l'utilité probable des analogues pour faciliter les dialogues appariés cible-analogue qui pourraient conduire à des informations d'adaptation exploitables. Aux États-Unis, les cultures spéciales sont légalement définies comme des fruits, des légumes, des noix, des fruits secs et d'autres cultures horticoles et de pépinière12,13. Dans cette vaste catégorie, nous nous concentrons sur les fruits, les légumes et les noix, qui englobent la majorité (> 90 %) de la superficie de production. Les cultures spéciales sont fortement concentrées en Californie, un État de plus en plus vulnérable à la sécheresse et au stress thermique, mais elles génèrent une valeur à la ferme considérable dans plusieurs autres États (tableau 1). Ces cultures constituent une étude de cas utile pour plusieurs raisons. Premièrement, ils sont sous-étudiés par rapport au changement climatique par rapport aux cultures céréalières telles que le maïs et le soja14,15,16. Deuxièmement, ils ont un impact économique local plus important par acre que les céréales, en raison de leur suite plus complexe d'activités de récolte, d'emballage et de transformation17. Troisièmement, du point de vue de l'adaptation au changement climatique, les cultures spécialisées sont difficiles en raison de l'horizon d'investissement à long terme (pour les cultures pérennes), des machines de production spécialisées par rapport aux cultures céréalières18 et des investissements importants en capital et en main-d'œuvre dans la production et la transformation. Plus généralement, les impacts du changement climatique sur l'agriculture sont très nuancés et vont au-delà des impacts couramment explorés sur les rendements des cultures16,19 ou la valeur des terres (c'est-à-dire l'analyse ricardienne)20. De multiples dimensions impactées par le climat telles que les ravageurs, les maladies, les différences variétales et l'exposition aux conditions météorologiques extrêmes - qui ont reçu une attention limitée - sont également essentielles, et un dialogue interactif entre un réseau d'experts en cultures spécialisées peut aider à naviguer dans les complexités de l'identification d'informations exploitables.

Nous avons simulé des analogues pour le climat futur de 680 comtés cibles de cultures spéciales aux États-Unis qui représentent 99 % de la zone de production de cultures spéciales (Fig. 1). Le pool de comtés pour les analogues potentiels comprend les 3001 comtés des 48 États inférieurs contigus des États-Unis. Nous nous sommes concentrés sur une période du milieu du XXIe siècle (2040-2070) car elle correspond bien à l'horizon de planification et d'investissement des producteurs de cultures spécialisées et est suffisamment éloignée dans le futur pour que le climat soit différent de l'actuel (1990-2020 ) conditions. Dix-neuf modèles de circulation générale (MCG), chacun sous deux scénarios de gaz à effet de serre (voies de concentration représentatives (RCP) 4,5 et 8,5) ont été pris en compte. Les variables climatiques futures dans chaque comté de cultures spécialisées ont été comparées aux variables climatiques actuelles de tous les comtés américains pour calculer une métrique de distance de dissimilarité. Nous avons utilisé la métrique de dissimilarité sigma4, car elle nous a permis de définir un seuil de distance interprétable pour identifier un ensemble d'analogues "acceptables", plutôt que seulement l'analogue le plus proche, qui peut ou non être suffisamment similaire pour un dialogue significatif.

Tous les comtés producteurs de cultures spéciales des États-Unis coïncidents et le sous-ensemble de 680 comtés qui représentent 99 % de la zone de production.

En plus d'être un analogue statistiquement acceptable, la sélection de variables pertinentes pour le contexte du dialogue et la garantie de similitude dans les systèmes de production de la paire cible-analogue peuvent avoir un impact sur la capacité des analogues à faciliter un dialogue significatif ; nous avons donc exploré ces aspects. Nous avons d'abord calculé l'ensemble d'analogues de comté américains acceptables pour chaque comté de cultures spécialisées sur la base de variables pertinentes pour la production agricole dérivées du climat (spécifiques au contexte), et les avons comparés à des analogues basés sur des variables saisonnières de température et de précipitations (génériques). Certains produits de données analogiques génériques sont disponibles, et cette comparaison nous a permis de déterminer si les deux approches identifient des emplacements similaires en tant qu'analogues ou si la génération d'analogues spécifiques au contexte aide à identifier des paires cibles-analogues plus pertinentes. Ensuite, nous avons quantifié quelle fraction des comtés de cultures spécialisées manquait d'analogues acceptables ou n'avait d'analogues acceptables que dans les comtés de cultures non spécialisées. Ceci est important car le dialogue et le partage d'informations pertinentes seraient probablement difficiles, voire improductifs, à moins qu'ils ne se produisent entre des personnes familiarisées avec des systèmes de production similaires. En outre, nous avons utilisé les statistiques du recensement de l'agriculture de l'USDA de 2017 pour évaluer les similitudes entre les cultures spécialisées cultivées dans les comtés cibles et analogues afin de déterminer si les dialogues peuvent se concentrer sur des informations permettant de gérer la même culture dans un environnement différent ou s'ils le feraient. concernent principalement les possibilités d'introduction de nouvelles cultures.

Enfin, nous avons piloté un tel dialogue, en réunissant des professionnels de la vulgarisation et de la sensibilisation, y compris du Cooperative Extension System (CES) des États-Unis, des comtés cibles du sud-est des États-Unis et de leurs paires analogiques. Le CES est un réseau existant exploité par les universités Land-Grant. Il comprend des professionnels des cultures spécialisées qui travaillent directement avec des producteurs de différentes échelles pour fournir des connaissances sur les besoins et les conditions changeantes auxquels fait face la chaîne d'approvisionnement des cultures spécialisées, et sont donc bien placés pour participer et étendre la portée de ces dialogues interactifs. D'autres professionnels contribuent également à la traduction et à la diffusion des avancées auprès des producteurs, notamment les districts de conservation, les agences gouvernementales, les consultants du secteur privé et les organisations non gouvernementales. Notre analyse a été effectuée à l'échelle du comté, correspondant au réseau CES. Ces professionnels, notamment ceux du CES, utilisent depuis longtemps les dialogues intra et interterritoriaux pour faciliter l'adoption de nouvelles technologies et pratiques agricoles, bien que nous n'ayons pas connaissance de dialogues transrégionaux dans un contexte de changement climatique.

La littérature publiée sur les analogues climatiques est naissante et s'est principalement concentrée sur les variables génériques de température et de précipitations saisonnières (par exemple3,5,6,7). L'hypothèse d'une large applicabilité de ces analogues génériques peut ne pas être appropriée pour les applications agricoles (et autres), compte tenu (a) des traductions non linéaires des variables saisonnières de température et de précipitations en paramètres pertinents pour un contexte spécifique (par exemple, les degrés-jours de croissance calculés à partir des températures en tant que mesure de la croissance des plantes) et (b) différents poids relatifs pour les catégories de variables d'entrée. Pour notre étude de cas, nous avons exploré l'effet de l'utilisation de variables d'entrée spécifiques au contexte. Autrement dit, nous avons demandé si l'utilisation de variables brutes génériques par rapport à des variables pertinentes pour la production agricole qui en sont dérivées (degrés-jours de croissance, stress thermique, durée de la saison, accumulation de froid et uniformité des précipitations) aboutirait au même ensemble de comtés que les analogues. Bien que nous ne nous attendions pas à ce que la liste des comtés génériques et analogues spécifiques au contexte acceptables corresponde exactement, étonnamment, la majorité des 680 comtés américains de cultures spéciales (64 % pour RCP 8.5 et 50 % RCP 4.5) ont abouti à des listes complètement différentes de pays acceptables. comtés analogues (0 % de chevauchement) entre les deux approches (Fig. 2). La sensibilité de l'analogue sélectionné aux variables d'entrée (a) souligne que l'identification d'analogues basée sur des variables spécifiques au contexte est probablement essentielle pour avoir des paires cible-analogue qui peuvent aboutir à un dialogue efficace, et (b) nous permet de personnaliser les analogues pour différents dialogues. Pour aller de l'avant, trouver le bon équilibre entre la spécificité du contexte est un défi qui doit être relevé par la communauté via des évaluations formelles des dialogues interactifs. Le reste de notre étude de cas pilote constitue une première étape pour déterminer si ces analogues spécifiques au contexte particulier sont utiles pour favoriser un dialogue significatif sur l'adaptation au climat dans les cultures spécialisées.

Similitude entre l'ensemble analogique identifié à l'aide de variables d'entrée génériques et spécifiques au contexte. Chacun des 680 comtés de cultures spéciales est coloré en fonction de la fraction de comtés analogues communs aux deux méthodes. La similarité va de 0,00 lorsque les comtés analogiques acceptables identifiés à l'aide de ces deux ensembles de variables d'entrée sont complètement différents, à 1,00 lorsque les comtés analogiques acceptables sont exactement les mêmes dans les deux cas. Les ensembles analogiques ont été créés à l'aide de 19 GCM sous RCP 8.5 (a) et RCP 4.5 (b).

Nous avons constaté que la majorité des comtés de cultures spéciales aux États-Unis (80 % pour le RCP 8.5 et 84 % pour le RCP 4.5) ont des analogues acceptables dans d'autres comtés de cultures spéciales (Fig. 3). Cela indique que la production de cultures spécialisées aux États-Unis est probablement une excellente étude de cas avec un potentiel pour faciliter les dialogues qui peuvent inspirer le changement et aider à soutenir la production future et les moyens de subsistance connexes. Il existe des différences régionales, le Midwest et les plaines du Nord ayant une fraction inférieure de comtés de cultures spéciales avec des analogues acceptables dans d'autres comtés de cultures spéciales (Fig. 3). Cependant, ces deux régions représentent < 10 % de la superficie nationale de production de cultures de spécialité21. Le sud-ouest est une importante région de production de cultures spécialisées qui comptait une poignée de comtés cibles sans analogues acceptables aux États-Unis (6 % pour le RCP 8,5 et 2 % pour le RCP 4,5) (Fig. 3). En fait, leurs valeurs de dissemblance sigma étaient suffisamment élevées pour qu'ils soient considérés comme de nouveaux climats qui n'ont pas été observés aux États-Unis.

Existence de comtés analogues avec production de cultures spécialisées. Chacun des 680 comtés de cultures spéciales est coloré selon qu'il a (1) au moins un analogue acceptable dans un autre comté de cultures spéciales (ombrage gris), (2) des analogues acceptables uniquement dans les comtés de cultures non spécialisées (ombrage blanc), et (3) aucun analogue acceptable aux États-Unis (ombrage rouge). Chaque région des États-Unis est annotée par deux chiffres : le pourcentage de comtés de cultures spécialisées dans cette région avec des analogues dans d'autres comtés de cultures spécialisées (chiffre du haut) et le pourcentage sans analogues acceptables (chiffre du bas). Les ensembles analogiques ont été créés à l'aide de 19 GCM sous RCP 8.5 (a) et RCP 4.5 (b).

Il existe une grande diversité de cultures spécialisées, de sorte que les conversations entre les paires cibles-analogues peuvent porter sur la façon de gérer la même culture pour un climat futur différent (si des cultures similaires sont cultivées) ou sur les opportunités de diversification dans de nouvelles cultures. En comparant la liste des cultures spécialisées cultivées (mélange de cultures) qui sont communes à la fois à la cible et à l'analogue dans chaque paire, en calculant la fraction de cultures qui sont communes (fraction de correspondance) dans chaque paire et en filtrant la fraction de correspondance maximale pour chaque cible comté (une cible peut avoir plusieurs analogues acceptables), nous avons constaté qu'au moins 20 % du mélange de cultures spécialisées est commun à la majorité des paires cible-analogue (93 % des comtés sous RCP 8.5 et 97 % sous RCP 4.5). Même en visant 40 % des cultures spécialisées, nous avons 63 % des comtés sous RCP 8.5 et 73 % sous RCP 4.5 (Fig. 4). La fraction d'appariement des cultures de spécialité est élevée dans l'ouest et le nord-est des États-Unis, où ce seuil d'appariement de 40 % est atteint par 85 % des paires cibles-analogues sous RCP 8.5 et 86 % sous RCP 4.5. Même une correspondance aussi élevée que 60 % est atteinte par 30 % des paires cible-analogue dans ces régions sous RCP 8.5 et 46 % sous RCP 4.5. Cela indique un potentiel plus élevé de dialogues fructueux sur les changements dans les pratiques de gestion des cultures existantes dans ces régions par rapport aux plaines du sud et au sud-ouest des États-Unis, où les perspectives sont plus probables concernant les opportunités de diversification du mélange de cultures. Cette analyse a été effectuée sur la base de 556 des 680 comtés cibles qui avaient une liste complète des cultures.

Fraction maximale de correspondance de cultures spécialisées pour chaque cible. Ceci est obtenu en comparant le mélange de cultures spécialisées sur chaque paire analogique cible et acceptable pour calculer une fraction de correspondance de cultures (la fraction de toutes les cultures du mélange de cultures qui se produisent à la fois dans les comtés cibles et analogues), puis en prenant la fraction de correspondance maximale pour chaque département cible. Les ensembles analogiques ont été créés à l'aide de 19 GCM pour RCP 8.5 (a) et RCP 4.5 (b).

Les analogues acceptables pour les comtés de l'ouest des États-Unis ont généralement des analogues plus au sud (Fig. 5). Les comtés de cultures spécialisées du Midwest, du Nord-Est et du Sud-Est des États-Unis ont généralement des analogues dans la direction ouest, parfois à une longue distance géographique. Par exemple, le comté de Montcalm dans le Michigan a des analogues acceptables dans certaines parties du sud-est de Washington. Un comté cible peut avoir plusieurs analogues acceptables parce que plusieurs comtés peuvent avoir des conditions historiques similaires et aussi parce que nous avons utilisé 19 GCM pour capturer l'incertitude du modèle, ce qui donne différents analogues acceptables. Les résultats sont généralement similaires dans les RCP 4.5 et 8.5, sauf pour les cibles dans le nord-est. Un sous-ensemble de comtés est présenté ici pour plus de clarté visuelle. Un outil Web interactif qui fournit la liste des analogues et le mélange de cultures pour les 680 comtés cibles est disponible sur https://agclimatechangetools.cahnrs.wsu.edu/ pour un usage public.

Répartition spatiale de tous les analogues acceptables pour certains comtés de cultures spécialisées les plus productrices pour le milieu du siècle (2040-2070) sur la base de 19 MCG pour RCP 8.5 (a) et RCP 4.5 (b). Les paires cible-analogique sont ombrées dans une couleur similaire avec le comté cible annoté avec le nom et ayant une taille de cercle plus grande.

Nous avons piloté un processus en deux phases pour explorer l'utilité des analogues dans la facilitation de dialogues appariés cible-analogue qui pourraient conduire à des informations d'adaptation exploitables. Tout d'abord, en janvier 2022, nous avons organisé un webinaire d'orientation de portée nationale pour les professionnels de la vulgarisation où nous (a) avons décrit l'approche analogique et partagé nos résultats analogiques et (b) avons présenté notre intérêt à faciliter les dialogues appariés cible-analogique pour explorer les types de discussion et les idées qui pourraient survenir. Ces professionnels de la vulgarisation ont été invités par le biais d'un effort publicitaire du réseau national CES ciblant les États où l'analyse avait identifié des analogues acceptables (Washington, Oregon, Californie, Wisconsin, Minnesota, Michigan, New York, Maine, Caroline du Nord, Caroline du Sud, Texas, Floride et Géorgie). Dans certains cas, nous avons également adressé des invitations à des personnes spécifiques, sur la base des recommandations des administrateurs CES de l'État et des membres de l'équipe. Le webinaire d'orientation (offert deux fois) a réuni 95 participants de 29 États avec des comtés de cultures spécialisées (ainsi que quelques participants à l'échelle nationale). Au cours de la discussion du webinaire, plusieurs participants ont exprimé leur intérêt à explorer des discussions paires cible-analogue et les participants d'une paire cible-analogue ont été invités à passer à la deuxième phase du projet pilote qui impliquait des dialogues.

Cette deuxième phase s'est centrée sur un atelier virtuel en petit groupe en mars 2022. L'atelier s'est concentré sur les régions des plaines du sud-est et du sud et a impliqué neuf professionnels de la vulgarisation des cultures spécialisées des comtés cibles de Floride (FL), de Géorgie (GA) et de Caroline du Sud. (SC) et des professionnels similaires dans leurs comtés analogues de l'est du Texas (TX) (cyan, fuchsia et marron sur la figure 5). Nous nous sommes concentrés sur ces états car ils avaient des paires analogiques acceptables (selon notre analyse) et avaient une forte participation de professionnels de la vulgarisation lors du webinaire d'orientation. Les participants à la deuxième phase comprenaient ceux qui ont exprimé leur intérêt pour le webinaire d'orientation et d'autres personnes recommandées par eux. Au cours de l'atelier, nous avons utilisé les questions directrices suivantes pour favoriser les discussions entre les professionnels de la vulgarisation travaillant dans les comtés cibles et analogues : (1) quel est l'impact du changement climatique sur la production de cultures spécialisées dans les comtés où vous travaillez ? Et (2) quels problèmes et pratiques de production dans ces régions confèrent une résilience aux impacts du changement climatique ? Dans la dernière partie de l'atelier, nous avons également interrogé les participants sur leur point de vue sur l'utilité des paires d'analogues climatiques en tant que mécanisme pour identifier et favoriser les connexions menant à un dialogue sur les alternatives d'adaptation potentielles.

Au cours des discussions de l'atelier, trois cultures spécialisées ont été mises au point : les pêches (FL, GA, TX, SC), les bleuets (GA, SC, TX) et les légumes-feuilles (GA, SC, TX). L'équipe a enregistré des notes de la discussion et les a interprétées collectivement, ce qui a abouti à une liste de quatre catégories d'informations potentiellement exploitables (tableau 2). Trois catégories reflétaient les types d'actions que les producteurs ou d'autres entités (par exemple, les sélectionneurs) pourraient prendre pour favoriser l'adaptation. Le quatrième reflète une transformation des systèmes de production (catégorie nouvelles opportunités et défis potentiels associés dans le tableau 2). Les informations du tableau 2 ont ensuite été partagées avec les participants pour confirmer leur exactitude. Bien que nous ne sachions pas encore si ces informations conduiront à des actions dans les pays cibles, elles fournissent des exemples intéressants de ce qui peut résulter de tels dialogues et soulignent l'utilité d'étendre au-delà du projet pilote et de formaliser un processus pour initier de tels dialogues.

La théorie de la communication souligne l'importance du dialogue, de la coproduction et de l'information pertinente localement pour traduire les connaissances scientifiques en action22,23,24,25,26. Bien qu'il soit intuitif et essentiel d'organiser des discussions avec un éventail de parties prenantes d'une région qui est la base historique des systèmes de vulgarisation27, les analogues climatiques semblent être un outil utile pour guider le jumelage avec des experts d'autres régions qui peuvent traduire les inconnues en données antérieures. expériences et jouent un rôle complémentaire important dans un dialogue de partage des connaissances. Bien que les paires cibles-analogues dans la région du Sud-Est produisent des cultures spécialisées moins similaires que dans d'autres régions (Fig. 4), les cultures spécialisées qui ont fait l'objet de discussions et les idées qui en sont ressorties (Tableau 2) suggèrent que les analogues peuvent être un outil efficace. mécanisme pour identifier et favoriser les connexions continues entre des régions disparates. Les dialogues au sein des réseaux sociaux établis se sont avérés être un facteur clé dans l'adoption de l'innovation, y compris autour de l'adaptation climatique27,28. Notre pilote suggère qu'il est possible de permettre l'échange d'informations exploitables sur un plus grand échantillon de régions. Ces dialogues appariés pourraient conduire à l'établissement de nouveaux réseaux sociaux efficaces à travers un ensemble plus large d'appariements géographiques que ce qui pourrait être poursuivi autrement. La formalisation de la structure du dialogue et l'évaluation du contenu du dialogue seraient essentielles pour aller au-delà de la preuve de concept pilote envisagée dans cette étude.

Dans le cas des cultures spécialisées, deux aspects rendent les analogues prometteurs : la forte proportion de comtés de cultures spécialisées avec des analogues acceptables et la similitude du mélange de cultures entre les paires cibles-analogues. Cela est particulièrement remarquable pour les régions géographiquement séparées telles que l'ouest et le nord-est des États-Unis, ce qui souligne la nécessité d'une approche proactive pour développer les opportunités de réseautage qui sont un élément fondamental d'un dialogue sur l'adaptation. Ceci est particulièrement important pour les cultures spécialisées, car elles contrastent avec les principales céréales (maïs, blé et soja) qui ont généralement des régions de production contiguës et qui font l'objet de nombreux articles de recherche de premier plan sur l'adaptation au changement climatique (par exemple Burke et al.15, Schlenker et al.16). Notre processus pilote s'est révélé très prometteur pour l'approche du dialogue par paires afin de favoriser l'échange d'informations orienté vers l'action entre les experts en cultures. Les nouvelles paires cibles-analogues spécifiques au contexte développées dans cette étude peuvent constituer la base pour faciliter les discussions et élargir le réseau engageant le dialogue, ce qui pourrait finalement contribuer à la réussite de l'adaptation de ces importants systèmes de production agricole aux défis du changement climatique.

Les calculs analogues de cette étude n'ont pas tenu compte de certains facteurs environnementaux importants qui affectent la production, tels que les caractéristiques du sol et la disponibilité continue de l'eau d'irrigation (qui ont tous deux été soulevés lors du dialogue pilote). Cependant, la force d'un format de dialogue interactif est qu'il peut permettre l'intégration de ces considérations locales uniques dans les conversations ainsi que les délibérations sur les différences et les stratégies de gestion alternatives. De plus, nos méthodes de calcul analogiques ont été construites sur des travaux antérieurs4 qui calculent les distances en fonction des variables climatiques moyennes tout en tenant compte de la plage historique. Une amélioration future potentielle de cette approche serait d'employer des méthodologies qui calculent les distances sur l'ensemble des distributions des variables climatiques ou d'inclure une analyse de séries chronologiques qui traite de la structure temporelle des vagues de chaleur et des précipitations. Même avec l'approche actuelle, les distributions des variables sur les paires cibles-analogues peuvent être comparées ex post, et les différences de distribution peuvent être mises en évidence comme points de discussion pour le dialogue au besoin.

Bien que ce document se concentre uniquement sur les cultures spécialisées aux États-Unis, les analogues climatiques peuvent être pertinents dans d'autres systèmes agricoles à travers le monde pour aider à faciliter les échanges d'informations jumelées qui peuvent catalyser l'action et l'adaptation au changement climatique. Les analogues climatiques qui intègrent les connaissances locales sur les seuils et les non-linéarités liés au climat, à la productivité et à la rentabilité pourraient jouer un rôle important en fournissant des preuves scientifiques clés pour l'optimisation économique qui éclairent les investissements de grande valeur, tels que la planification de nouvelles plantations de cultures pérennes qui dépassent souvent 50 000 USD/ha. En outre, ce concept peut être utilisé pour aller au-delà de l'examen de la production agricole pour répondre aux besoins de l'ensemble de la chaîne d'approvisionnement agricole, tels que la planification et l'emplacement des installations de stockage, des installations de transformation des aliments et des centres de transport qui nécessiteraient des investissements supplémentaires pour s'adapter aux nouvelles cultures. Il existe également une gamme de facteurs socio-économiques affectant les systèmes de culture qui pourraient potentiellement être informés par le concept analogique, comme les besoins en main-d'œuvre, les politiques fédérales et les programmes gouvernementaux tels que l'assurance-récolte, l'aide en cas de catastrophe ou les programmes de conservation qui ont un impact et influencent les producteurs. la prise de décision.

Tout en étendant le concept analogique à de multiples applications, le succès dépend probablement de l'identification d'analogues acceptables avec des mesures spécifiques au contexte dérivées de variables climatiques, car l'ensemble d'analogues peut être assez différent de celui basé sur des variables génériques saisonnières et de température, comme démontré dans notre étude de cas. . Le réseau jumelé cible-analogique peut créer les premières étapes d'un dialogue collaboratif continu qui traduit finalement la science en action. Ceci est particulièrement important dans les applications impliquant des terres de travail où les impacts du changement climatique sont complexes, et les modèles de communication efficaces pour traduire la science en action nécessitent un dialogue interactif plutôt qu'une simple transmission d'informations.

Les données historiques étaient basées sur le produit de données gridMET29 disponible à une résolution spatiale de 1/24e degré (~ 4 km) pour les 48 États inférieurs contigus des États-Unis de 1979 à aujourd'hui, notre période d'analyse pour les conditions « actuelles » étant de 1990 à 2020. Les projections futures étaient basées sur 19 MCG qui faisaient partie du projet d'intercomparaison de modèles couplés (CMIP 5) et corrigées du biais et réduites à une résolution de 1/24e degré sur la base de la méthodologie MACA (Modified Multivariate Adaptive Constructed Analog)30. Ces modèles incluent BCC-CSM-1, BCC-CSM-1.1-m, BNU-ESM, CanESM2, CCSM4, CNRM-CM5, CSIRO-Mk3-6-0, GFDL-ESM2G, GFDL-ESM2M, HadGEM2-CC365, HadGEM2 -ES365, INMCM4, IPSL-CM5A-LR, IPSL-CM5A-MR, IPSL-CM5B-LR, MIROC5, MIROC-ESM, MIROC-ESM-CHEM et MRI-CGCM3. Les données pour la période 2040-2070 pour les RCP 4.5 et 8.5 ont été utilisées. Le RCP 8.5 se situe au 90e centile des scénarios sans politique climatique avec des projections d'augmentation de température relativement plus élevées. Le RCP 4.5 suppose une atténuation des émissions de gaz à effet de serre avec des augmentations de température relativement plus faibles, bien que ces différences soient plus importantes après notre période d'analyse du milieu du siècle. Les variables quotidiennes maximales et minimales de température et de précipitations ont été utilisées dans cette étude. Les données de résolution de 1/24e degré ont été remaillées par interpolation linéaire à une résolution de 1/16e degré pour une efficacité de calcul.

Nous avons choisi les variables spécifiques au contexte (pertinentes pour la production de cultures spécialisées) en tenant compte des processus biologiquement importants qui affectent la production à toutes les saisons de l'année. Les degrés-jours de croissance (GDD) sont un prédicteur de la croissance et du développement des plantes et sont une fonction de l'accumulation d'unités thermiques entre les seuils de température de base et supérieurs spécifiques à la culture. Il est calculé comme décrit dans Miller et al.31. Une unité de degrés-jours de croissance indique une exposition à 1 °C entre les seuils pendant 1 jour. Pour notre étude, nous avons supposé une température de base de 0 °C (32 °F) et un seuil supérieur de 29,44 °C (85 °F) et calculé l'accumulation annuelle de GDD. Cette valeur seuil/seuil est généralement applicable à plusieurs cultures spécialisées. La durée de la saison sans gel dicte quelles cultures et variétés peuvent pousser et quand. Le GDD et la durée de la saison sans gel sont des indicateurs largement utilisés dans les études sur la réponse du rendement des cultures (par exemple, Kukal et Irmak32). De plus, le stress thermique, en particulier pendant les mois d'été, peut avoir un impact sur la production agricole33. Nous utilisons les degrés-heures de chaleur, qui intègrent à la fois le temps et l'intensité de l'exposition à des températures dommageables au-dessus d'un certain seuil, comme mesure du stress thermique. Un degré-heure de chaleur équivaut à une exposition à des températures supérieures de 1 °C au seuil pendant 1 h. Nous avons utilisé un seuil de température horaire de 32 °C (89,6 °F). Nous avons estimé les températures horaires à partir des températures maximales et minimales quotidiennes à l'aide d'une désagrégation de courbe sinusoïdale34 et avons calculé les degrés-heures de chaleur à partir de ces données horaires. Pour les systèmes de culture pérennes, la dynamique hivernale est importante et nous avons utilisé l'accumulation d'heures de refroidissement comme mesure représentative. Il s'agit d'une mesure du nombre d'heures d'exposition à des températures comprises entre 0 °C (32 °F) et 7,22 °C (45 °F)35. Celui-ci est calculé pour la saison comprise entre le 1er octobre de l'année précédente et le 31 mars de l'année en cours, tel qu'implémenté dans le package chillR36. Une accumulation insuffisante de froid peut entraîner une floraison non uniforme, une abscission des fleurs et une réduction de la nouaison, ce qui entraîne des impacts négatifs sur la production37. Enfin, nous nous sommes intéressés à une métrique qui capture les différences dans les modèles de précipitations entre l'ouest (précipitations hivernales avec des étés secs) et l'est (précipitations généralement uniformes tout au long de l'année avec des conditions humides) aux États-Unis. Bien qu'il soit possible d'avoir plusieurs variables de précipitations mensuelles, comme le notent Williams et al.38, il est important d'avoir un nombre limité de variables pour les calculs de mesures de distance. Par conséquent, conformément à l'approche adoptée par la classification climatique largement utilisée de Koppen39, nous utilisons la différence de précipitations entre les mois les plus humides et les plus secs comme métrique. Cette mesure est également corrélée aux différences relatives d'humidité pendant la saison de croissance (comme en témoignent les classes climatiques de Koppen), ce qui se traduit par des différences importantes dans les pressions des ravageurs et des maladies dans les systèmes de culture40.

L'agrégation temporelle est résumée dans le tableau 3. Les calculs analogues du climat nécessitent trois ensembles de données de variables climatiques (a) normale climatique actuelle : moyenne sur 30 ans entre 1990 et 2020 (b) normale climatique future projetée : moyenne sur 30 ans entre 2040 et 2070 et (c) observations historiques annuelles sur la période 1990-2020 pour calculer la variabilité climatique interannuelle. L'ensemble de données gridMET29 a été utilisé pour calculer à la fois (a) et (c).

Les données climatiques ont été agrégées uniquement pour les grilles agricoles d'un comté. Ces grilles ont été identifiées sur la base du 2020 USDA NASS Cropland Data Layer (CDL)41 qui est un ensemble de données géoréférencées annuelles sur l'utilisation des terres cultivées qui est créé sur la base d'une analyse d'imagerie satellitaire et fourni à une résolution de 30 m. Nous avons supprimé les codes de catégorisation de l'utilisation des terres non agricoles (81, 82, 83, 87, 88, 92, 111, 112, 121–124, 131, 141–143, 152, 190, 195) de l'ensemble de données CDL pour isoler les pixels. Les données ont ensuite été mises à l'échelle à la résolution de l'entrée de données climatiques (1/16e degré), en codant une grille de données climatiques comme agricole si au moins 1/8e de la surface de la grille comprenait des pixels CDL agricoles.

Le recensement de l'agriculture de 2017 du Service national des statistiques agricoles (NASS) de l'USDA (Recensement du NASS)21 fournit plusieurs caractéristiques de la production agricole au niveau des comtés, notamment la liste des cultures produites, ainsi que la zone de production et la valeur marchande de chaque culture. Les données du recensement du NASS ont été consultées via l'outil de requête de données de recensement21 avec les numéros de tableau 29, 31 et 32 correspondant respectivement aux légumes, aux fruits d'arbres et aux noix et aux baies. À l'aide des statistiques totales agrégées pour ces groupes de cultures, nous avons codé les 3 001 comtés des 48 États américains contigus inférieurs en tant que comtés de cultures spécialisées ou non spécialisés. Sur les 1713 comtés qui ont été codés comme comtés de cultures spéciales, nous avons sous-ensemble 680 comtés qui représentaient 99 % de la superficie des cultures spéciales pour une analyse plus approfondie (Fig. 1). Nous avons créé un ensemble exhaustif de (a) toutes les cultures cultivées dans le comté (mélange de cultures) et (b) toutes les cultures spécialisées ciblées - des catégories fruits, légumes et noix - dans chaque comté (mélange de cultures spécialisées). En raison de problèmes de divulgation et de données manquantes, nous n'avons pu créer une liste complète des cultures que pour 556 des 680 comtés.

Deux ensembles de calculs analogiques ont été effectués. Le premier est un analogue générique basé sur la température et les précipitations. Le second est un analogue spécifique au contexte basé sur des variables dérivées : les degrés-jours de croissance annuels, la durée de la saison sans gel, les degrés-heures de chaleur estivale, les heures de refroidissement et la différence de précipitations entre les mois les plus humides et les plus secs.

Les analogues ont été calculés selon l'approche de Mahony et al.4 qui (a) adapte la distance euclidienne standardisée en une distance de Mahalanobis avec des variables mises à l'échelle par leur variabilité interannuelle et (b) interprète les distances comme des centiles de dissemblance sigma dans une distribution du chi. Les avantages de cette approche sont qu'elle résout les problèmes liés aux valeurs de variables ayant des échelles différentes et à l'inflation de la variance résultant des corrélations entre les variables. De plus, il traite de l'impact de la dimensionnalité sur les calculs de distance - qui entrave la capacité de comparer les distances - en traduisant les distances dans un espace de distribution chi. La seule distinction dans notre approche était que nous avons calculé la variabilité interannuelle des variables climatiques à partir du produit de données maillées à partir duquel les normales climatiques ont été calculées, par opposition aux grilles correspondantes avec les données de la station météorologique la plus proche. La dissemblance Sigma a été calculée pour 680 comtés de cultures spécialisées en comparant le climat futur de chacun de ces comtés avec les climats historiques de tous les 3001 comtés des États-Unis contigus pour 19 MCG.

Une dissemblance sigma de deux (2σ) représente le 95e centile de la distribution du chi, tandis que 4σ représente le 99,994e centile. Les comtés avec une distance de dissemblance sigma ≤ 2σ sont considérés comme des analogues acceptables tandis que ceux avec une distance de dissemblance sigma ≥ 4σ sont considérés comme de nouveaux climats. Pour tout comté cible, les analogues acceptables peuvent être soit des comtés de cultures spécialisées soit des comtés de cultures non spécialisées et nous faisons une distinction entre les deux. L'ensemble d'analogues acceptables pour chaque comté cible est d'abord identifié pour chaque GCM. Ensuite, pour créer un ensemble global d'analogues acceptables dans tous les GCM, nous filtrons uniquement les comtés qui ont abouti à un analogue acceptable dans au moins cinq GCM (ce qui équivaut à des analogues communs à > 25 % des GCM). Bien que le seuil soit arbitraire, le but était de limiter l'ensemble d'analogues acceptables aux comtés communs à plusieurs modèles plutôt qu'aux valeurs aberrantes. Nous avons effectué une analyse de sensibilité sur le seuil (pour les valeurs de 3, 5, 7 et 10 GCM). Le pourcentage estimé de comtés de cultures spécialisées avec des analogues dans d'autres comtés de cultures spécialisées n'a pas varié de plus de 10 % avec les différents seuils, et le seuil n'a pas non plus affecté l'interprétation des résultats.

Les entrées météorologiques et dérivées ont d'abord été agrégées temporellement à un pas de temps mensuel pour chaque grille, puis spatialement agrégées pour chacun des 3001 comtés des 48 États américains contigus inférieurs en faisant la moyenne de toutes les grilles agricoles de chaque comté. Ensuite, 680 des 1713 comtés avec une certaine production de cultures spécialisées ont été sélectionnés comme comtés cibles pour les calculs analogiques. Cela a été fait en triant les comtés par zone de production de cultures spécialisées et en sélectionnant les meilleurs comtés qui représentaient 99 % de la superficie. Les statistiques de distance de dissimilitude Sigma ont été calculées pour chacun des 680 comtés cibles pour 19 GCM selon les scénarios RCP 4.5 et 8.5. Cela a été fait en calculant la distance entre chaque réalisation future du milieu du XXIe siècle pour le comté cible et le climat historique de chacun des 3001 comtés américains pour un total de 77,5 millions de comparaisons (680 comtés cibles × 19 GCM × 2 RCP × 3001 comtés). Les statistiques de distance ont été utilisées pour filtrer les analogues acceptables pour chaque combinaison comté-GCM-RCP, de sorte que la métrique de dissimilarité sigma soit ≤ 2σ. Ensuite, l'ensemble d'analogues acceptables a été finalisé pour chaque combinaison comté-RCP en filtrant les analogues acceptables qui sont communs à au moins cinq GCM, comme indiqué dans la section précédente.

Les analogues acceptables ont été calculés pour deux ensembles de variables (génériques et spécifiques au contexte) et la fraction d'appariement a été calculée comme le rapport du nombre d'analogues acceptables uniques communs et du nombre total d'analogues acceptables uniques à travers l'union des analogues acceptables des deux ensembles de variables. L'ensemble d'analogues acceptables est ensuite regroupé en analogues de cultures spécialisées et de cultures non spécialisées pour calculer la fraction du total des analogues acceptables qui sont des comtés de cultures spécialisées. Enfin, le rapport entre les cultures spéciales communes et le total des cultures spéciales pour chaque comté cible est calculé comme suit. Pour chaque analogue acceptable, nous avons calculé le nombre total de cultures spécialisées uniques à partir de l'union des ensembles de mélanges de cultures spécialisées cibles et analogues. Ensuite, nous avons calculé le nombre de cultures uniques communes et l'avons divisé par le nombre total pour estimer le ratio de cultures communes pour chaque analogue acceptable. Le rapport le plus élevé parmi tous les analogues acceptables est signalé pour chaque cible. Cette dernière étape n'a été possible que pour les 556 comtés qui disposaient de listes complètes de cultures.

Les scripts pour le calcul analogique (une version modifiée du code partagé par4), les scripts de post-traitement et un fichier csv des paires de métriques de distance et d'analogues cibles sont disponibles sur le lien GitHub : https://github.com/agroecosystemsmodelingwsu/ AgClimateAnalogique. Les analogues et les mélanges de cultures pour les 680 principaux comtés de cultures spécialisées aux États-Unis peuvent être visualisés sur https://agclimatechangetools.cahnrs.wsu.edu/. Les entrées climatiques brutes peuvent être consultées sur : https://www.climatologylab.org/maca.html.

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Ce travail a été financé par le prix USDA NIFA AFRI 2017-68002-26789. Nous remercions Karen Lewis, directrice de l'Unité de l'agriculture et des ressources naturelles de l'Université de l'État de Washington pour son aide dans l'organisation de l'atelier pilote. Nous remercions également les professionnels de la recherche et de la vulgarisation du sud-est des États-Unis et du Texas (Zilfina Rubio Ames—Université de Géorgie, Ali Sarkhosh—Université de Floride, Brian Hayes—Université de Géorgie, Pam Knox—Université de Géorgie, Philip W. Shackelford—Université Texas A&M, Hehe Wang—Clemson University, Joseph G. Masabni—Texas A&M University, Chris Oswalt—University of Florida) pour leur participation à l'atelier et pour leurs commentaires.

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Timothée B. Sulser

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SC, KR, CEK, CWF, DIG, GH et COS ont conçu et rédigé le travail. SC, KR, CEK et MPB ont interprété et analysé les données. SC, KR, DIG, RLM, SH, JR et TBS ont rédigé la première ébauche et SC a préparé tous les chiffres. Tous les auteurs ont modifié et révisé le manuscrit.

Correspondance à Kirti Rajagopalan.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Chaudhary, S., Rajagopalan, K., Kruger, CE et al. Les analogues climatiques peuvent catalyser les dialogues interrégionaux pour l'adaptation des cultures spécialisées aux États-Unis. Sci Rep 13, 9317 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35887-x

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Reçu : 21 juillet 2022

Accepté : 25 mai 2023

Publié: 08 juin 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-35887-x

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