基于降雨函數最小正周期的虛擬水貿易決策

陶 雯,田貴良

(河海大學商學院,江蘇 南京 211100)

大量觀測結果證實,近百年來,以全球變暖為主要特征的氣候變化已成為事實[1-2]。氣候變化的實質不僅是反映單一要素的變化特征,同時也反映了整個氣候系統的變化過程,而氣候變化帶來的氣候資源的重新分配更值得關注[3]。全球變暖加劇了中緯度地區的干旱化趨勢,由于降雨減少和溫度升高的共同作用,近年來全球干旱面積擴大了一倍[4]。由于氣候變化加劇,而氣溫和降雨作為最主要的氣候要素,其時空分布模式的改變將引起水資源的時空分布發生變化[5],使得降雨周期性發生改變,對各國的農業生產產生影響。尤其是降雨周期性變化對干旱區域的農業生產會產生較大的影響。

1 降雨量的最小周期與干旱地區虛擬水貿易

1.1 降雨量關于時間序列的周期性及其最小正周期的存在性

有學者指出降雨量存在變化的周期性,他將相當均勻地散布在我國不同氣候區域的42個代表測站及我國鄰近地區有較長降雨量觀測記錄的20個觀測站連續觀測,結果表明,不同季節、不同主成分顯著周期各不相同,表明了降雨年際變化規律隨時間、地點不同而改變的復雜特點。但是, 在另一方面, 各季各主成分方差譜估計值達顯著標準的頻率又有相對集中出現在若干頻率段內的趨勢,表明了某些帶有普遍意義的降雨周期性的存在，從而肯定了我國大范圍降雨量變化周期性的存在[6]。一些研究結果也表明,我國不少地區的降雨量序列中,有著顯著的36年左右的周期分量。但是因為36年周期振動的方差貢獻因時、因地而異,序列與相應的主成分的相關符號也不一樣,加上其他周期分量和隨機因素的影響,36年左右的周期振動,在有些地區表現很清楚,有些地區則較難直觀地分辨出來[7]。

1.2 干旱地區應對缺水的對策

田貴良在《虛擬水貿易論》一書中指出:干旱地區除了在傳統上依靠取調水設施、推廣節水技術、重視技術解決水資源問題的同時,應采取更有效的管理方法,全方位、多層次地強化管理在合理開發、有效利用、節約和保護水資源中的作用和地位,從而實現水資源的可持續利用。應實施虛擬水貿易應對降雨周期性變化帶來的干旱問題。干旱區,特別是西部干旱的內陸河地區,水資源開發利用的程度已經很高,如果在水資源開發利用上沒有大的突破,在管理上不能適應這種殘酷的現實,水資源將很難適應國民經濟迅速發展的需求,水資源危機將成為所有資源問題中最為嚴重的問題。對水資源的開發利用方式必須實施戰略性轉變。水資源不僅是一個生態環境問題,也是一個經濟問題、社會問題和政治問題,直接關系到國家和地區安全[8]。

1.3 干旱地區的虛擬水貿易可行性

傳統上,人們對水和糧食習慣于在問題發生的區域范圍內尋找解決問題的方案,而虛擬水則從系統的角度出發,運用系統思考的方法尋找與問題相關的各種各樣的影響因素,從問題發生的范圍之外尋找解決問題的應對策略。產品和服務生產過程中所需要的水資源的總量稱之為“虛擬水”。虛擬水戰略是指缺水國家(地區)將虛擬水的思想應用于生產和貿易策略的制定,在水資源稟賦條件下設置合理的用水結構,進行恰當的貿易選擇,從而在保障經濟發展和改善人們生活的前提下,實現水資源的有效節約和高效配置,進而實現水安全的目標。虛擬水戰略是水資源需求管理領域重要的理論創新,在傳統的跨區域調水、節水工程和節水技術外,為缺水地區實現水資源的可持續發展提供了全新的發展思路。虛擬水戰略的實施源于區域的資源條件,水資源貧乏而耕地資源也缺乏競爭優勢時,區域可以考慮實施虛擬水戰略。同時,區域必須具備一定的經濟條件、社會調適能力和環境容納性,以應對虛擬水戰略可能帶來的一系列經濟、社會和環境問題。虛擬水戰略的基本結論是在不考慮其他因素條件下,水資源豐富的國家或地區將出口水資源密集型產品,同時,水資源短缺的國家或地區則進口水資源密集型產品。謝衛奇等[9]認為虛擬水戰略最適宜在缺水地區實施。

2 農業生產用水資源量函數的周期性

作為農業生產所必需的最重要的資源之一,水資源已經受到政府的重視。尤其是農業用水資源已經成為保衛國家糧食安全的重要因素。

根據已有的資料分析,我國水資源的供給具有周期性。我國水資源供給的主要方式是降雨。在以往的研究中,研究者通過小波技術[10]、時間序列-馬爾科夫預報模型[11]等技術和方法討論降雨量的周期性,證明了降雨量在一定的時間序列內具有周期性且存在最小周期。農業生產用水的主要來源是降雨。在這里,設時間為x,降雨量φ(x)是關于時間x的一元一次函數,通過以往的證明,可知φ(x)是一個周期函數且具有最小周期。再設農業生產用水資源量f(φ)是關于降雨量φ(x)的一元一次函數,且f(φ)與降雨量φ(x)正相關。則根據周期函數的性質:設φ(x)是以T為周期的周期函數,f(x)是任意函數,則復合函數f[φ(x)]也是以T為周期的周期函數。可以得出農業生產用水資源量f[φ(x)]也是關于時間序列x的一個周期函數,且存在最小正周期。

在T時段內,存在著枯水期和豐水期。令x=x0時,φ(x0)處于降雨量的最小值;令x=xt時,φ(xt)處于降雨量的最大值;則當x∈[x0,xt]時,φ(x)是遞增的,當x∈[xt,T]時,φ(x)是遞減的。也就是說,當x處于x=xt的附近時,降雨量充沛,該地區處于豐水期;當x處于x=x0和x=T的附近時,降雨量不足,該地區處于枯水期。當某地區處于豐水期時,該地的糧食作物生長較好,產量大,容易獲得豐收;當某地區處于枯水期時,該地的糧食作物生長較差,產量小,出現糧食的歉收。

3 基于周期函數的區域虛擬水貿易

我國的農業主要集中在北方,但是我國的南方水多、北方水少,這成為制約我國農業發展的關鍵要素。根據木桶原理,北方地區的缺水是限制我國農業發展的短板。為了實現區域間的虛擬水貿易平衡,考慮一定的時間段內2個不同的區域:區域甲的降雨量最小正周期為M,區域乙的降雨量最小正周期為N。設當x=xt1時,甲地區處于豐水期的某一時段,此時農作物生長良好,獲得豐收。設當x=xt2時,乙地區處于枯水期的某一時段,此時農作物生長不良,糧食歉收。則?m,n(>0)s.t.mxt1=nxt2。這就是說必?m,n(>0)使得甲地區的豐水期與乙地區的枯水期處于同一時刻,即t=mxt1或者t=nxt2時。在t=mxt1或者t=nxt2時,甲地區豐收的糧食可以運往糧食歉收的乙地區,實現區域間以糧食為載體的虛擬水貿易平衡。從國家的糧食安全方面來考慮,區域間的虛擬水貿易平衡有助于維護國家內部或者區域間人們對糧食需求的平穩。同時,考慮到各地農業種植結構的差異,可以用區際間的貿易來實現干旱區域的虛擬水貿易平衡,規避干旱區域的缺水風險。

4 實例分析

通過小波分析,新安江流域黃山地區年降水序列存在6年和19年左右的周期。新安江流域黃山地區全年降雨量距平過程[10],如圖1所示。

圖1 黃山地區全年降雨量距平過程

唐秦區域(即唐山和秦皇島兩市) 位于河北省最東部。為更好地反映該區域降水特性,選用唐秦區域7個雨量站同年的年降雨量資料進行算術平均,并用該算術平均值代表該區域當年的年平均降雨量,從而獲得唐秦區域1908—2009年間的年平均降雨量系列。該區域年平均降雨量年際變化情況見圖2。

圖2 唐秦區域年平均降雨量變化情況

經過消噪和濾波處理根據滑動分析,唐秦區域降水具有周期性。1991—2006年夏糧播種面積、旱災產量損失情況如圖3所示[13]。

圖3 唐山地區夏糧播種面積與產量損失

通過觀察,在1997年,唐秦地區處于枯水期,黃山地區處于豐水期。唐秦地區的糧食減產量達到一個波峰,為較大值。這說明在1997年,在糧食播種面積增加的情況下,唐秦地區由于降雨量的減少導致了糧食的歉收。同一期,根據糧食產量與降雨量呈正相關的關系,黃山地區處于豐水期,其糧食產量會增加。為了實現區域間虛擬水貿易的平衡,這2個地區可以進行農作物貿易,規避處于枯水期唐秦地區的缺水風險。

5 結 語

a. 通過考察不同區域間降雨量隨時間變化的周期性,得出具有不同降雨量周期的區域可以進行糧食貿易,進而達到2個區域間整體的虛擬水平衡。這種貿易措施對于規避干旱地區在枯水期的缺水風險提出了一種新的思考方式。在干旱地區枯水期,農作物的產量減少,不能滿足人們對糧食的需求。通過貿易的手段,將此時處于豐水期、糧食豐收地區的農作物與之貿易,實現了資源的有效配置,也實現了參與雙方的雙贏。這在傳統農業生產和農業生產用水方法上,跳出了固有的思維定式,以虛擬水貿易為指導思想,思考重點從用水技術轉移到水資源貿易,可以在一定程度上促進農業產區的商業、貿易發展。

b. 利用降雨量隨著時間序列的最小正周期在不同地區的差異發展虛擬水貿易,可以實現區域間(干旱區域和豐水區域之間)的虛擬水貿易平衡,在不同地區的稟賦差異下達到資源的有效和優化配置。這種貿易使得不同區域的比較優勢得以發揮,進而實現貿易雙方的雙贏局面。

c. 區域間的虛擬水貿易保證了多個區域整體的糧食安全,即沒有大幅度的糧食供給變化。糧食作為關乎國計民生的重要產品,突然或是較大的供給沖擊都是不利于糧食市場穩定的,而且,這種不穩定會影響一個國家的政治穩定和社會穩定。因此不主張進行國際虛擬水貿易,大量的國際糧食貿易或是以糧食為載體的虛擬水貿易可能會對一個國家的糧食供給造成突然或重大的沖擊,不利于一個國家的糧食安全、政治安全和社會穩定。而同一個國家區域間的糧食貿易或是以糧食為載體的虛擬水貿易則不會對該國造成糧食供給的不利沖擊,也不會導致該國的糧食危機、政治危機和社會危機。而且,一個國家糧食供應的平穩為社會的有序發展提供了保障。

對于我國而言,我國幅員遼闊,各個地區的氣候條件迥異,很容易找到在氣候或是降雨上能互補的區域。可以對氣候或是降雨上能互補的區域進行氣候和降雨量分析,掌握其規律,進行區域間的虛擬水貿易。接下來,在證實了區域間可以進行虛擬水貿易之后,考慮如何設計虛擬水貿易的合約,以期權或期貨的方式進行虛擬水貿易。

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