On the use of decadal predictions for agricultural climate services: bridging the gap between service providers and users

Abstract

(English) Unfavorable and extreme climate events such as drought and heat stress heavily impacts the agriculture sector and food security globally, and the impact of these climate hazards is expected to increase over the upcoming years (or decades) due to anthropogenic climate change. Recently developed decadal climate forecast systems aim to provide a future outlook of the Earth’s climate system for a period ranging from 1 to 10 years. Skilful prediction of extreme climate events using this climate information shows potential for supporting risk reduction and adaptation strategies in the agriculture sector, fostering food security and better planning crop insurance schemes. In this context, the ability of state-of-the-art probabilistic decadal climate forecast systems at predicting climate extremes on a multi-annual timescale is explored in this thesis, which is an important step in determining whether such climate information can provide useful, and ultimately actionable, information to stakeholders in the agricultural sector, a sector that has been identified as one of the most vulnerable to climate-related risks.

As a first step, the deterministic forecast skill of decadal climate forecast systems at predicting multi-year drought conditions during European summer over the recent past was assessed in this thesis. Evaluating the quality of such predictions is considered a fundamental step because it assesses whether the prediction systems can be trusted to reliably forecast impactful events. The results revealed that the decadal forecast systems are able to skillfully predict the summer drought conditions over most of Europe using two user-relevant drought indices: Standardized Precipitation Index (SPI) and Standardized Precipitation Evapotranspiration Index (SPEI). Following these encouraging results, the probabilistic skill in predicting multi-year drought and heat stress conditions over global wheat harvest areas was then assessed. Wheat is the most harvested cereal crop in the world, contributing to the local food security of many countries. The results demonstrated the decadal predictions are generally more skillful than forecasts built on the observed climatology in predicting the tercile categories of the multi-year averages of drought and heat stress indices over several wheat-growing regions. In addition, the initialization of the decadal forecasting system enhances skill and reliability over the wheat producing regions for both indices. This implies that there exist opportunities to support wheat stakeholders in their decision-making processes as well as policy development, implementation and evaluation on a multi-annual timescale.

Building on these results, an illustration of the potential of decadal predictions in the development of climate services was made by establishing interactions and collaborations with stakeholders from the agriculture sector. The main goal of this exercise was to understand how the decadal climate information should be conveyed to stakeholders in order to enhance its usability for decision making. In this context, a climate service product presenting the forecast of dry conditions for the coming five years over global wheat harvesting regions was designed. The product was presented to stakeholders that had interest in various crops (wheat, grape, and cotton among others) and in food security. During the interaction, the stakeholders expressed interest in uptaking decadal climate information and it was found that the climate information at decadal timescale can be of great value for a broad range of users. Particularly, it can support planning decisions that require several years to be implemented, such as choosing crop varieties, deciding on crop plantation sites, and devising strategic policies.

(Español) Los fenómenos climáticos desfavorables y extremos, como la sequía y el estrés térmico, tienen un fuerte impacto en el sector agrario y la seguridad alimentaria a nivel mundial. Se espera que el impacto de estos eventos aumente en los próximos años (o décadas) a causa del cambio climático antropogénico. Las predicciones decadales tienen como objetivo proporcionar información climática de los próximos 10 años. Dichas predicciones representan un potencial de mejora en la gestión de los riesgos asociados al clima y el desarrollo de estratégias de adaptación al cambio climático. En este contexto, esta tesis estudia la capacidad de dichas predicciones en reproducir fenómenos climáticos extremos a una escala temporal plurianual.

En primer lugar, se han utilizado métricas de verificación deterministas para evaluar la calidad de las predicciones climáticas decadales prediciendo condiciones de sequía durante la estación de verano, sobre la región europea, y en el pasado reciente. Dicha evaluación se considera un paso fundamental en el proceso de verificación, ya que permite determinar si se puede confiar en los sistemas de predicción al pronosticar de forma fiable eventos de gran impacto. Los resultados obtenidos revelan que las predicciones decadales son capaces de predecir las condiciones de sequía estival en la mayor parte de Europa, utilizando dos índices de sequía relevantes para el usuario: el Índice de Precipitación Estandarizado (SPI, en sus siglas en inglés) y el Índice Estandarizado de Precipitación y Evapotranspiración (SPEI, en sus siglas en inglés). En segundo lugar, se han utilizado métricas de verificación probabilística para estimar la calidad de la predicción de sequía y estrés térmico en aquellas zonas donde se cultiva trigo de todo el mundo. Se ha elegido este cultivo, ya que es el cereal más cosechado en el mundo y es clave para la seguridad alimentaria local de muchos países. Los resultados obtenidos demuestran que las predicciones decadales presentan un valor añadido frente a las elaboradas a partir de la climatología observada, concretamente, en la predicción por terciles de las medias plurianuales, y paralos índices de sequía y de estrés térmico en varias regiones productoras de trigo. Además, la inicialización del sistema de predicción decadal tiene un efecto de mejora en la calidad de las predicciones de ambos índices sobre las regiones productoras de dicho cereal. Esto implica nuevas oportunidades para la mejora en los procesos de toma de decisiones del sector, así como en el desarrollo, la aplicación y la evaluación de políticas agrarias en una escala temporal plurianual.

A partir de estos resultados, se ha explorado el potencial de las predicciones decadales en el desarrollo de servicios climáticos, estableciendo interacciones y colaboraciones con usuarios del sector agrario. El objetivo principal de este ejercicio fué entender cuál es la mejor forma de transmitir la información climática decadal a los usuarios con el objetivo de potenciar su usabilidad en el contexto de la toma de decisiones. Con tal fin, se diseñó un producto de servicio climático que muestra la predicción global de las condiciones de sequía para los próximos cinco años en las regiones productoras de trigo. Este producto fue presentado a usuarios de diferentes sectores agrícolas (trigo, uva y algodón, entre otros) y expertos en seguridad alimentaria. Durante las sesiones de interacción, los usuarios mostraron interés en recibir información climática decadal para su uso en la toma de decisiones, comprobando que ésta puede ser de gran valor para una amplia gama de usuarios. En particular, las predicciones decadales pueden servir de apoyo a la planificación de actividades que requieren varios años en ser implementadas,como la elección de nuevas variedades y áreas de cultivos, entre otras.