Characterizing and assessing drought risks for agricultural systems

Abstract

Droughts are complex, multifaceted hazards that affect many regions of the world. They cascade through socioecological systems at different scales and cause severe environmental and social impacts. Agriculture bears much of the impact and, in many countries, it is the most heavily affected sector. As agricultural systems are social-ecological systems characterised by close human-environmental interaction, drought risk assessments for agricultural systems should be based on a socioecological system's perspective. Despite this, comprehensive drought risk assessments that consider the complex interaction of drought hazards, exposure, and vulnerability factors with a social-ecological approach are still the exception. Addressing this gap, this thesis presents for the first time an integrated assessment of drought risk for both irrigated and rainfed agricultural systems at the global and national scales. At the global scale, composite hazard indicators were calculated for irrigated and rainfed systems separately using different drought indices based on historical climate conditions. Exposure was analysed for irrigated and non-irrigated crops. Vulnerability was assessed through a socioecological system (SES) perspective, using socioecological susceptibility and lack of coping-capacity indicators weighed by drought experts from around the world. <br /> The findings of the global assessment show that drought risk of rainfed and irrigated agricultural systems displays a heterogeneous pattern at the global level, with higher risk for southeastern Europe as well as northern and southern Africa (e.g., South Africa and Zimbabwe). In fact, environmental and socioeconomic factors in South Africa's and Zimbabwe's agricultural systems have been affected by drought in the past, creating cascading pressures on the nation's agro-economic and water supply systems. To understand the key drivers of drought risk and to inform proactive drought risk management, a sub-national level drought risk assessment is also presented for both countries. This assessment pioneered national-level assessments for irrigated and rainfed systems that take into account the complex interaction between different risk components, using modelling and remote sensing approaches and involving national experts in selecting vulnerability indicators and providing information on human and natural drivers. <br /> Recognising that global drought risk assessments have been conducted to highlight the regions or countries most at risk, and that their outcomes are deemed useful to inform adaptation finance decisions, this thesis also compares the outcomes of global and regional drought risk assessments for different clusters of countries of particular relevance to international climate and disaster risk policy. The findings highlight the importance of analysing risk at multiple spatial scales to ensure no country is "left behind" in global risk and adaptation finance decisions. <br /> Finally, the thesis discusses a systemic perspective as a way forward to assess and manage drought risks effectively. A novel drought risk framework that highlights the systemic nature of drought risks is presented. This thesis highlights the need for solutions to tackle the growing drought risks that not only consider the underlying drivers of drought risks for different sectors, systems or regions but also require an understanding of sector/system interdependencies, feedback, dynamics, compounding and concurring hazards, as well as possible tipping points and globally and/or regionally networked risks.

Dürren bergen komplexe, vielschichtige Gefahren (‚hazards‘), die viele Regionen der Welt betreffen. Sie wirken sich auf verschiedenen Ebenen von sozioökologische Systemen aus und verursachen schwerwiegende ökologische und soziale Folgen. Einen Großteil dieser Folgen trägt die Landwirtschaft. Diese ist in vielen Ländern auch der am stärksten betroffene Sektor. Bei landwirtschaftlichen Systemen handelt es sich um sozial-ökologische Systeme, die durch eine enge Interaktion zwischenMensch und Umwelt gekennzeichnet sind. Daher sollten auch Dürrerisikobewertungen für landwirtschaftliche Systeme eine sozio-ökologische Systemperspektive berücksichtigen. Trotzdem sind umfassende Dürrerisikobewertungen, die die komplexen Wechselwirkungen zwischen Gefahr (‚hazards‘) , Exposition (‚exposure‘) und Vulnerabilität (‚vulnerability‘)mit einem sozial-ökologischen Ansatz berücksichtigen, immer noch die Ausnahme. Um diese Lücke zu schließen, wird in dieser Arbeit zum ersten Mal eine integrierte Bewertung des Dürrerisikos sowohl für bewässerte als auch für regengespeiste landwirtschaftliche Systeme auf globaler und nationaler Ebene vorgestellt. Auf globaler Ebene wurden zusammengesetzte Gefahrenindikatoren für bewässerte und regengespeiste Systeme getrennt berechnet, wobei verschiedene Dürreindexe auf der Grundlage historischer Klimabedingungen verwendet wurden. Die Exposition wurde für bewässerte und unbewässerte Kulturpflanzen analysiert. Die Vulnerabilität wurde aus der Perspektive des sozio-ökologischen Systems (SES) bewertet, wobei Indikatoren für sozio-ökologische Vulnerabilität und fehlende Bewältigungskapazitäten verwendet wurden, die von Dürreexperten aus aller Welt gewichtet wurden.<br /> Die Ergebnisse der globalen Bewertung zeigen, dass das Dürrerisiko von regengespeisten und bewässerten landwirtschaftlichen Systemen auf globaler Ebene ein heterogenes Muster aufweist, mit einem höheren Risiko für Südosteuropa sowie für das nördliche und südliche Afrika (z. B. Südafrika und Simbabwe). In der Tat waren die Umwelt- und sozioökonomischen Faktoren in den landwirtschaftlichen Systemen Südafrikas und Simbabwes in der Vergangenheit von Dürre betroffen, was zu einer kaskadierendenBelastung der agrarökonomischen und wasserwirtschaftlichen Systeme der Länder führte. Um die wichtigsten Faktoren für das Dürrerisiko zu verstehen und Informationen für ein proaktives Dürrerisikomanagement zu erhalten, wird für Südafrika und Simbabwe auch eine Bewertung des Dürrerisikos auf subnationaler Ebene vorgelegt. Mit dieser Bewertung wurde auf nationaler Ebene für bewässerte und regengespeiste Systeme Pionierarbeit geleistet, denn sie berücksichtigt die komplexen Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Risikokomponenten, nutzt Modellierungs- und Fernerkundungsansätze und bezieht nationale Experten in die Auswahl von Vulnerabiliätsindikatoren und die Bereitstellung von Informationen über menschliche und natürliche Faktoren mit ein.<br /> In Anerkennung der Tatsache, dass globale Dürrerisikobewertungen durchgeführt wurden, um die am stärksten gefährdeten Regionen oder Länder hervorzuheben, und deren Ergebnisse als nützlich erachtet werden, um Entscheidungen zur Anpassungsfinanzierung zu treffen, werden in dieser Arbeit auch die Ergebnisse globaler und regionaler Dürrerisikobewertungen für verschiedene Ländergruppen verglichen, die für die internationale Klima- und Katastrophenrisikopolitik von besonderer Bedeutung sind. Die Ergebnisse verdeutlichen, wie wichtig es ist, das Risiko auf mehreren räumlichen Ebenen zu analysieren, um sicherzustellen, dass kein Land bei globalen Risiko- und Anpassungsfinanzierungsentscheidungen "zurückgelassen" wird.<br /> Abschließend wird in dieser Arbeit eine systemische Perspektive erörtert, die eine wirksame Bewertung und Bewältigung von Dürrerisiken ermöglichen soll. Es wird ein neues Rahmenwerk für Dürrerisiken vorgestellt, der den systemischen Charakter von Dürrerisiken hervorhebt. Diese These unterstreicht die Notwendigkeit von Lösungen zur Bewältigung der zunehmenden Dürrerisiken, die nicht nur die zugrunde liegenden Faktoren für Dürrerisiken in verschiedenen Sektoren, Systemen oder Regionen berücksichtigen, sondern auch ein Verständnis der gegenseitigen Abhängigkeiten von Sektoren/Systemen, Rückkopplungen, Dynamiken, sich verstärkenden und konkurrierenden Gefahren sowie möglicher Kipppunkte und global und/oder regional vernetzten Risiken erfordern.