[논문 리뷰] The impact of abnormal temperatures on crop yields in Italy: a functional quantile regression approach

Giovanni Bocchi, Alessandra Micheletti외 2명|arXiv (Cornell University)|2026. 01. 19.

Climate change impacts on agriculture인용 수 0

한 줄 요약

이 논문은 기능적 회귀 및 기능적 분위수 회귀를 이탈리아 주 데이터(1952–2023)에 적용하여 온도 및 강수량 이상이 옥수수와 연질 밀 수확량에 가장 큰 영향을 미치는 시점을 식별한다.

ABSTRACT

In this study, we apply functional regression analysis to identify the specific within-season periods during which temperature and precipitation anomalies most affect crop yields. Using provincial data for Italy from 1952 to 2023, we analyze two major cereals, maize and soft wheat, and quantify how abnormal weather conditions influence yields across the growing cycle. Unlike traditional statistical yield models, which assume additive temperature effects over the season, our approach is capable of capturing the timing and functional shape of weather impacts. In particular, the results show that above-average temperatures reduce maize yields primarily between June and August, while exerting a mild positive effect in April and October. For soft wheat, unusually high temperatures negatively affect yields from late March to early April. Precipitation also exerts season-dependent effects, improving wheat yields early in the season but reducing them later on. These findings highlight the importance of accounting for intra-seasonal weather patterns to provide insights for climate change adaptation strategies, including the timely adjustment of key crop management inputs.

연구 동기 및 목표

• 이탈리아에서 온도 및 강수 이상이 옥수수 및 연질 밀 수확량에 통계적으로 유의하게 영향을 미치는 기간을 계절 내에서 식별한다.
• 기능적 회귀 및 FDA 도구를 사용하여 기상 영향의 시기와 형태를 모델링한다.
• 수확량 분포 꼬리에 걸친 차등 효과를 정량화하여 기후 적응 전략에 정보를 제공한다.
• 관개 시기 등 작물 관리 조정에 대한 정책적 시사점을 제공한다.

제안 방법

• 주(省) 고정 효과와 연도 추세를 갖는 스칼라-온-함수(Scalar-on-Function) 기능적 회귀를 사용한다.
• 기상 공변량을 중심화하고 fPCA를 통해 기능적 기저에 투영하여 스칼라 점수를 얻는다.
• OLS 및 기능적 분위수 회귀(τ ∈ (0,1))를 통해 추정한다; 적절한 경우 QA를 포함한다.
• 주에서의 부트스트랩 재샘플링으로 기능적 계수의 신뢰 밴드를 구성한다.
• 잘린(fPCA) 표현으로부터 기능적 계수 γ^k,e(t,τ)를 재구성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이탈리아의 작물 생장 기간 중 어느 시점에 비정상 온도가 옥수수 수확량을 가장 많이 감소시키는가?
• RQ2 비정상 온도가 연질 밀 수확량에 어떤 영향을 미치며, 효과가 가장 강한 시기는 언제인가?
• RQ3 강수 패턴이 계절 전반의 연질 밀 수확량에 어떤 영향을 미치며 이러한 효과가 분위수에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ4 온도 효과가 수확량 분포 꼬리에서 다르게 나타나며, 농업 기술이나 적응에 따라 이질적 영향을 나타내는가?
• RQ5 기능적 온도 및 강수 효과를 사용해 기후 변화 하의 작물 관리 의사 결정의 시점(예: 관개)을 안내할 수 있는가?

주요 결과

Estimator	ΔY	r(Yield)
OLS	-0.0577	0.9440
QR τ=0.1	-0.0594	0.9424
QR τ=0.9	-0.0326	0.9679

• 평균을 상회하는 기온은 주로 6월~8월 사이 옥수수 수확량을 감소시키며, 4월과 10월에는 다소 긍정적 효과를 보인다.
• 옥수수의 0.1 분위수와 0.9 분위수는 일관되지만 서로 다른 꼬리 거동을 보여 생산성이 낮은 농가의 취약성이 더 크다는 것을 시사한다.
• 연질 밀은 3월 말에서 4월 초 사이 고온이 수확량에 부정적 영향을 주고, 강수는 초여름 수확량을 개선하지만 후기에 악영향을 준다.
• 밀 수확량은 초기에 누적 강수에 긍정적으로 반응하지만 후기에 부정적 영향을 받아 계절 의존적 강수 영향을 강조한다.
• 함수 계수 γ(t)는 하위 구간에서의 기온 변화에 따른 수확량 변화를 해석하게 해주며, 시나리오 기반 예측을 가능하게 한다(예: 6월~8월의 ΔT).
• 옥수수에서 0.9 분위수는 0.1 분위수보다 부정적 영향이 작아 더 생산적/농가 집단의 더 나은 적응을 시사한다.