Assessing the impacts of temperature extremes on crop production in the Adda river basin

Climate change is leading to an increase in the occurrence of extreme weather events, such as hot spells, droughts and floods. Among these, extreme temperatures, particularly heatwaves, are the deadliest, with far-reaching impacts ranging from health and ecosystems, to the energy and agricultural sector. Europe, specifically, is emerging as the fastest warming continent in the world and has been described as a heatwave hotspot, with heatwave frequency increasing almost four times faster than the rest of the northern midlatitudes. Agriculture is the most vulnerable sector to climate extremes, and crop losses have been proven to follow extreme temperature events making adaptation measures essential to support food security worldwide. In this thesis, we investigate the impacts of temperature extremes on agricultural productivity in the Adda River basin to support the planning of adaptation strategies in view of mid-to-long-term climate change projections. We first simulate historical crop yields using a detailed, process-based model of the agricultural districts. Then, we use correlation analysis and the Patient Rule Induction Method to identify the most relevant drivers of crop failure among different indices describing the occurrence and intensity of heatwave and drought events. Numerical results suggest that the two most important indices are the number of days above the climatology 90th percentile (NDQ90) in June, calculated with daily maximum temperature, and the Heat Wave Magnitude Index (HWMI), calculated with daily minimum temperature. Lastly, we examine different climate change scenarios to assess the projected evolution of these two indices. Both HWMI and NDQ90 June are expected to increase considerably, with HWMI showing the greatest increments with respect to the historical baseline. These trends suggest the opportunity to replace some of the crops currently cultivated in the area, primarily maize, in favor of heat-tolerant varieties, such as soy or cereals, in order to ensure more reliable productions in the coming years.

Il cambiamento climatico sta portando ad un aumento di eventi estremi, quali temperature elevate, siccità e alluvioni. Tra questi, le temperature estreme, in particolare le ondate di calore, sono le più mortali, con impatti ampi che vanno dalla salute agli ecosistemi, fino ai settori dell'energia e dell'agricoltura. L'Europa è il continente che sta subendo il riscaldamento più rapido, tanto da essere descritto come un hotspot di ondate di calore, per via della rapidità con cui la frequenza di questi eventi sta aumentando. L'agricoltura è il settore più esposto agli eventi climatici estremi ed è già stato osservato che temperature elevate portano a riduzioni nelle rese agricole. Per questo, la ricerca di misure di adattamento è essenziale per supportare la sicurezza alimentare globale. In questa tesi, viene studiato l'impatto di temperature estreme sulla produttività agricola nel bacino del fiume Adda, con lo scopo di supportare la pianificazione di strategie di adattamento alla luce di proiezioni climatiche di medio e lungo termine. Per prima cosa viene simulato il raccolto storico con un modello dettagliato dei distretti agricoli in questione. In seguito, tramite un'analisi di correlazione e il Patient Rule Induction Method, vengono identificati i principali driver di raccolti fallimentari tra una serie di indici che descrivono l'occorrenza e l'intensità di eventi di ondate di calore e siccità. I più importanti risultano essere il numero di giorni sopra il 90mo percentile della climatologia (NDQ90) a giugno, calcolato usando la temperatura massima giornaliera, e Heat Wave Magnitude Index (HWMI), calcolato usando la temperatura minima giornaliera. Infine, vengono esaminati differenti scenari climatici per studiare l'evoluzione futura di questi due indici. È previsto che sia HWMI che NDQ90 a giugno cresceranno notevolmente, ma HWMI mostra i maggiori incrementi rispetto allo storico. Questi trend suggeriscono l’opportunità di sostituire alcune delle colture attualmente presenti nella zona, principalmente mais, con delle varietà resistenti al caldo, come la soia o i cereali, per garantire una produttività più stabile negli anni a venire.