Climate-induced cyclical properties of regional wine production using a time-frequency approach in Douro and Minho Wine Regions

Propriedades cíclicas da produção regional de vinho induzidas pelo clima usando uma abordagem de frequência temporal nas regiões vinícolas do Douro e Minho

¹ Faculdade de Ciências, Universidade do Porto, Rua do Campo Alegre, 4169-007, Porto, Portugal
² INESC TEC, Campus da FEUP, Rua Dr. Roberto Frias, 4200 - 465 Porto, Portugal
³ German University in Cairo, Faculty of Management Technology, 11835 New Cairo City, Egypt

^* Corresponding author: +351 220 402 489, e-mail: mccunha@fc.up.pt, mario.cunha@inesctec.pt

Received: 3 February 2020
Accepted: 19 May 2020

Abstract

The impact of climate on wine production (WP) temporal cycles in Douro (DR) and Vinhos Verdes (VVR) wine regions for a period of about 80 years, characterized by strong technological trend and climate variability, was modelled. The cyclical properties of WP, and which cycles are determined by spring temperature (ST) and soil water during summer (SW), were identified. It was achieved by applying a time-frequency approach, which is based on Kalman filter in the time domain. The time-varying autoregressive model can explain more than 67% (DR) and 95% (VVR) of the WP’ variability and the integration of the ST and mainly SW increase the models’ reliability. The results were then transferred into the frequency domain, and can show that WP in both regions is characterized by two cycles close to 5-6 and 2.5 years around the long run trend. The ST and SW showed great capacity to explain the cyclicality of WP in the studied regions being the coherence temporarily much more stable in VVR than in the DR, where a shift of the relative importance away from ST to SW can be recognized. This could be an indicator of lower impact of the foreseen hot and dry climate scenarios on WP in the regions with a maritime climate, such as the VVR, compared with hot and dry wine regions. Despite the marked differences in the two studied regions on ecological, viticulture practices and technological trend, the modelling approach based on time-frequency proved to be an efficient tool to infer the impact of climate on the dynamics of cyclical properties of regional WP, foreseeing its generalized use in other regions. This modelling approach can be an important tool for planning in the wine industry as well as for mitigation strategies facing the scenarios that combine technological progress and climate change.

Resumo

Este trabalho apresenta uma metodologia inovadora para avaliar o impacto do clima nos ciclos temporais da produção anual de vinho (WP) nas regiões do Douro (DR) e Vinhos Verdes (VVR) para um período de cerca de 80 anos, caraterizado por uma forte evolução tecnológica e variabilidade climática. Numa primeira fase foram identificadas as propriedades cíclicas da WP nestas regiões, seguida da análise de quais destes ciclos são determinados pela temperatura no período da primavera (ST) e água no solo durante o período de verão (SW), estimado através da aplicação Vineyard Soil Irrigation Model (VSIM). Os ciclos da WP em ambas as regiões foram identificados através de um modelo autorregressivo variável no tempo com estimação dos parâmetros com o Kalman filter, seguido da transformação do domínio do tempo para a análise espectral (frequência) das WP através da função Fast Fourier Transform, sendo a coerência utilizada para a análise espectral cruzada entre WP e o clima (ST ou SW). O modelo autorregressivo com variabilidade temporal permite explicar 67% (DR) e 95% (VVR) da variabilidade temporal da WP e a integração da ST e, sobretudo, da WP, aumenta muito a confiabilidade do modelo. Posteriormente, os resultados foram transferidos no domínio do tempo para a frequência, o que permitiu demonstrar que a WP, em ambas as regiões, é caracterizada por um ciclo de 5 a 6 anos e outro de 2,5 anos em torno da tendência a longo prazo. A ST e SW apresentaram grande capacidade para explicar os ciclos da WP nas regiões estudadas, sendo a coerência entre ciclos de produção e do clima mais estáveis na VVR que na DR. Na DR verifica-se uma transferência da importância relativa da ST para a SW ao longo dos anos. Os resultados indiciam um menor impacte nos ciclos da WP, dos alegados cenários climáticos nas regiões com clima marítimo (VVR), quando comparadas com as regiões mais quentes e secas como a DR. Apesar das regiões estudadas apresentarem grandes diferenças, tais como condições ecológicas, castas, práticas vitivinícolas e evolução tecnológica, a abordagem estatística inovadora apresentada neste trabalho mostrou ser uma ferramenta robusta para inferir o impacte do clima na dinâmica das propriedades cíclicas da WP, prevendo-se a sua potencial generalização a outras regiões vitivinícolas. A abordagem de modelação apresentada pode ser um instrumento importante para o planeamento da indústria vitivinícola, bem como para a definição de estratégias de mitigação de cenários que combinam progresso tecnológico e alteração climáticas.