Impact models in agriculture : from seasonal forecast to long-term estimations, including annual estimates

En agriculture, la météo est le principal facteur de variabilité d’une année sur l’autre. Cette thèse vise à construire des modèles statistiques à grande échelle qui estiment l’impact des conditions météorologiques sur les rendements agricoles. Le peu de données agricoles disponibles impose de construire des modèles simples avec peu de prédicteurs, et d’adapter les méthodes de sélection de modèles pour éviter le sur-apprentissage. Une grande attention a été portée sur la validation des modèles statistiques. Des réseaux de neurones et modèles à effets mixtes (montrant l’importance des spécificités locales) ont été comparés. Les estimations du rendement de maïs aux États-Unis en fin d’année ont montré que les informations de températures et de précipitations expliquent en moyenne 28% de la variabilité du rendement. Dans plusieurs états davantage météo-sensibles, ce score passe à près de 70%. Ces résultats sont cohérents avec de récentes études sur le sujet. Les prévisions du rendement au milieu de la saison de croissance du maïs sont possibles à partir de juillet : dès juillet, les informations météorologiques utilisées expliquent en moyenne 25% de la variabilité du rendement final aux États-Unis et près de 60% dans les états plus météo-sensibles comme la Virginie. Les régions du nord et du sud-est des États-Unis sont les moins bien prédites. Le rendements extrêmement faibles ont nécessité une méthode particulière de classification : avec seulement 4 prédicteurs météorologiques, 71% des rendements très faibles sont bien détectés en moyenne. L’impact du changement climatique sur les rendements jusqu’en 2060 a aussi été étudié : le modèle construit nous informe sur la rapidité d’évolution des rendements dans les différents cantons des États-Unis et localisent ceux qui seront le plus impactés. Pour les états les plus touchés (au sud et sur la côte Est), et à pratique agricole constante, le modèle prévoit des rendements près de deux fois plus faibles que ceux habituels, en 2060 sous le scénario RCP 4.5 du GIEC. Les états du nord seraient peu touchés. Les modèles statistiques construits peuvent aider à la gestion sur le cours terme (prévisions saisonnières) ou servent à quantifier la qualité des récoltes avant que ne soient faits les sondages post-récolte comme une aide à la surveillance (estimation en fin d’année). Les estimations pour les 50 prochaines années participent à anticiper les conséquences du changement climatique sur les rendements agricoles, pour définir des stratégies d’adaptation ou d’atténuation. La méthodologie utilisée dans cette thèse se généralise aisément à d’autres cultures et à d’autres régions du monde.In agriculture, weather is the main factor of variability between two consecutive years. This thesis aims to build large-scale statistical models that estimate the impact of weather conditions on agricultural yields. The scarcity of available agricultural data makes it necessary to construct simple models with few predictors, and to adapt model selection methods to avoid overfitting. Careful validation of statistical models is a major concern of this thesis. Neural networks and mixed effects models are compared, showing the importance of local specificities. Estimates of US corn yield at the end of the year show that temperature and precipitation information account for an average of 28% of yield variability. In several more weather-sensitive states, this score increases to nearly 70%. These results are consistent with recent studies on the subject. Mid-season maize crop yield forecasts are possible from July: as of July, the meteorological information available accounts for an average of 25% of the variability in final yield in the United States and close to 60% in more weather-sensitive states like Virginia. The northern and southeastern regions of the United States are the least well predicted. Predicting years for which extremely low yields are encountered is an important task. We use a specific method of classification, and show that with only 4 weather predictors, 71% of the very low yields are well detected on average. The impact of climate change on yields up to 2060 is also studied: the model we build provides information on the speed of evolution of yields in different counties of the United States. This highlights areas that will be most affected. For the most affected states (south and east coast), and with constant agricultural practice, the model predicts yields nearly divided by two in 2060, under the IPCC RCP 4.5 scenario. The northern states would be less affected. The statistical models we build can help for management on the short-term (seasonal forecasts) or to quantify the quality of the harvests before post-harvest surveys, as an aid to the monitoring (estimate at the end of the year). Estimations for the next 50 years help to anticipate the consequences of climate change on agricultural yields, and to define adaptation or mitigation strategies. The methodology used in this thesis is easily generalized to other cultures and other regions of the world