宜昌市臍橙凍害保險天氣指數模型設計

張 麗，孟 芳，孫艷麗，黎浩然，劉云鵬

(1.宜昌市氣象局，湖北 宜昌 443000；2.湖北省秭歸縣氣象局，湖北 秭歸 443600；3.湖北省宜昌市夷陵區氣象局，湖北 宜昌 443100)

1 引言

宜昌市秭歸縣地處長江西陵峽沿岸，全縣半高山和低山多為紫色土，特別適宜臍橙生長，是農業部最早命名的“中國臍橙之鄉”。影響秭歸臍橙生產的氣象災害主要有低溫凍害、高溫熱害、干旱、暴雨洪澇、冰雹、連陰雨等。除低溫凍害外，其他災害對臍橙的影響有限，而低溫凍害對臍橙的影響具有不可逆性，是臍橙生產上的主要災害[1]，會造成臍橙樹體嚴重受傷或死亡，嚴重影響臍橙產業持續穩定發展。20世紀60年代以來，湖北省臍橙就遭受了多次嚴重凍害，使臍橙生產蒙受了巨大損失[2]。根據查閱歷史資料和實地調研，1969年、1977年、1992年、2005年、2008年、2013年、2014年、2016年、2018年、2019年秭歸臍橙分別遭受了不同程度的低溫雨雪冰凍災害，僅2018年的低溫冰凍過程就造成全縣臍橙受災面積1萬hm2，成災面積6700 hm2，直接經濟損失5000萬元以上，近乎切斷了當地橙農基本收入來源和生產積極性。因此，低溫凍害是臍橙生產中必須重點關注的問題[3]。目前，許多學者對湖北省的臍橙凍害做了相關研究，劉濤等[4]對十堰臍橙凍害氣象條件分析認為，極端最低溫度低、最低溫持續時間長、溫度變化幅度大、低溫高濕是凍害發生程度強的直接原因；周席華等[5]研究發現，秭歸縣臍橙的凍害程度隨海拔高度增加而加深；馬德栗等[2]研究了臍橙凍害等級劃分方法，并指出全省綜合凍害指數下降趨勢最小的地方出現在三峽河谷(宜昌秭歸)，說明秭歸臍橙的受凍程度沒有因全球氣候變暖的大背景而有所減輕。農業氣象災害保險作為一種分散農業保險的有效手段，有利于分散受災風險，穩定農民收入，宋博等[6]研究表明，臍橙收入比重和農戶對農業保險的認可度與農戶購買天氣指數保險的支付意愿顯著正相關；鄧芳等[7]發現橙農對農業保險認知程度較低，但是橙農投保意愿卻較強。但目前農業保險主要停留在政策保險階段，通過實際災害損失來定損，需要較高的人工成本，并且投保雙方之間存在的一定的逆向選擇和道德風險，很難確保理賠的公正性和合理性。天氣指數保險具備氣象監測技術成熟、定損簡單賠付效率高、成本較低易推廣、規避逆向選擇和道德風險的優點，保險合同也是標準化合約，便于農民理解與接受，更易推廣，加上政策支持力度大，市場空間較大。但目前國內針對臍橙保險天氣指數的研究較少，婁偉平等[8]開創了國內臍橙保險天氣理賠指數研究的先河，省內相關研究仍處于空白階段。

本文以臍橙主產區—秭歸縣為研究試點對象，擬設計出科學合理的宜昌臍橙凍害保險天氣指數模型，為后期與保險公司合作推出相應的保險產品提供前期氣象技術支撐，從而為廣大臍橙種植戶有效應對氣象災害提供氣象保障服務，更好地提升宜昌臍橙產業應對化解氣象災害風險能力。

2 研究資料

秭歸縣1998～2020年臍橙總產量、種植面積資料來自宜昌市統計年鑒；為避免資料不穩定的問題，本文盡可能獲取長時間序列的歷史氣象數據，選取秭歸國家站建站以來1961～2020年臍橙越冬期(臍橙可采成熟期至春芽展開期)逐日平均氣溫、日最低氣溫、逐日降水量等氣象資料，氣象資料來自秭歸縣氣象局；災情資料來源于秭歸縣民政局、秭歸縣氣象局上報的歷史氣象災情和農業氣象觀測資料。本文設定冬季為12月至次年2月，氣候平均值為1981～2010年各相關氣象要素的平均值。

3 研究內容和方法

3.1 氣象產量確定

臍橙產量與樹齡、環境因子等關系密切。臍橙總產量由趨勢產量、氣象產量、營養產量等組成：

Y=Yq+Yx+Yy+t

(1)

式(1)中，Y為臍橙總產量，單位103kg，Yq為臍橙趨勢產量，Yx為臍橙氣象產量，Yy為臍橙營養產量，t為臍橙隨機波動產量。臍橙趨勢產量是臍橙的理論產量，通過逐步回歸法建立臍橙趨勢產量擬合方程。臍橙氣象產量是受氣象因子影響的產量。氣象產量的獲取主要依賴于趨勢產量分離[9]。為剔除新開果園對臍橙趨勢產量擬合結果的干擾，本文將當年種植面積去除當年新開園面積，并將4年前新開園面積納入當年成熟果園的種植面積。通過臍橙總產量與各年種植面積的相關分析，臍橙總產量與當年至前4年種植面積相關性顯著，且通過了0.01的顯著性檢驗。

(2)

3.2 凍害減產率確定

影響臍橙產量的氣象因子有低溫凍害、花期高溫熱害、干旱、連陰雨等，對于臍橙生長而言，減產率由年內各類氣象災害相繼影響導致。第i次氣象災害造成的損失率是前面氣象災害剩余率與其氣象災害損失率的乘積。因此對于災害發生年(低溫凍害為主)，可利用上述產量分離方法分離出因低溫凍害造成的臍橙減產率。

3.3 凍害指數確定

臍橙凍害不僅與低溫強度有關，還與低溫持續時間、降水量、降水持續時間等有關[10]。本文臍橙凍害指數的確定主要基于中華人民共和國氣象行業標準(QX/T 197-2013)[11]。

3.3.1 臍橙凍害氣象因子的量化

計算1961～2020年秭歸國家氣象站逐年冬季平均氣溫(T)及距平(Ta)、極端最低氣溫(TD)、低溫最長持續時間(TC)、降水量(R)及距平(Ra)、降水最長持續時間(RC)，根據表1進行量化轉換。其中，極端最低氣溫為冬季日最低氣溫的最小值；低溫最長持續時間為冬季日最低氣溫≤-1.5 ℃的最長持續日數；降水最長持續時間為前一日20：00時后至當日20：00時降水量≥0.1 mm的最長連續降水日數。

表1 臍橙凍害氣象因子分級和量化值

3.3.2 凍害指數計算

計算1961～2020年秭歸國家氣象站逐年旱凍指數(Idfi)和濕凍指數(Iwfi)，單站凍害指數取旱凍指數和濕凍指數的最大值，并根據表2進行量化。

Idfi=a1Q(TD)+a2Q(Ra)+a3Q(TC)

(3)

Iwfi=b1Q(TD)+b2Q(RC)+b3Q(TC)

(4)

f=max(Idfi，Iwfi)

(5)

式(3)～(5)中：a1、a2、a3和b1、b2、b3為影響系數，分別取6，1，3；Q(TD)、Q(Ra)、Q(TC)、Q(RC)分別為臍橙凍害氣象因子級數。

表2 單站凍害等級的劃分和量化值

3.4 天氣指數保險理賠設計初探

3.4.1 費率厘定

保險費率含有純費率和附加費率[12]。附加費率在保險費率中處于次要地位[13]。本研究只對純保險費率進行厘定和分析。

(6)

式(6)中，R為純保險費率；λ為保障比例，μ為預期單產，取值均為100%；U為產量損失的數學期望；xi為1961～2020年臍橙凍害減產率序列；yi為臍橙凍害等級的密度函數。

3.4.2 投保及理賠厘定

臍橙果樹從種植到生產有一個過程，一般第4年進入豐產期。本文把進入豐產期的臍橙平均種植面積作為成年果園投保面積，低于4年樹齡的投保面積按照平均種植面積的25%、50%、75%進行投保。農戶可根據實際情況選擇相應保險產品，其所需繳納的單位面積保險費如式(7)。

P=R×A

(7)

式(7)中，A為農戶投保的單位面積保險金額。

農戶購買上述臍橙凍害保險產品后，在保期內達到賠償條件，保險公司進行相應賠償。

(8)

式(8)中，B為賠償金額，x為減產率，xm為免賠率。

4 宜昌市臍橙凍害理賠指數設計實例

4.1 趨勢產量分離

以宜昌市秭歸縣為例，氣象災害發生年的氣象災害成因、減產率見表3。在表3之外的年份，實際總產量和趨勢總產量比較一致，誤差在5.0%以下，與霍治國等研究結果較為一致[14]。對去除氣象災害發生年的營養產量計算序列前后兩年進行相關分析，相關系數未達顯著水平，可忽略臍橙營養產量。

表3 秭歸縣臍橙主要減產年及減產原因

4.2 凍害指數確定

根據秭歸站建站以來(1961～2020年)氣象站記錄計算出臍橙越冬期凍害指數(圖1)可見，60年來秭歸臍橙越冬期凍害指數以0.025的速率呈現下降的變化趨勢，表明臍橙的凍害程度總體在減輕。秭歸臍橙60年來平均凍害指數為0.6，整體凍害程度較輕。其中高于平均凍害指數的年份有15年，凍害發生年的平均凍害指數為2.2，呈現中度-偏重度發生。

圖1 建站以來(1961～2020年)秭歸站凍害指數

從凍害發生頻次而言(表4)，秭歸60年來發生輕度凍害指數的頻率為5.0%，發生中度凍害指數的頻率為13.3%，發生偏重凍害指數的頻率為3.3%，發生嚴重凍害指數及以上的頻率均為1.7%，為60年一遇。近60年秭歸中度以上凍害指數呈現減少趨勢，但21世紀以來，秭歸輕度-中度凍害指數發生頻次達6次，超過過去40年頻次(5次)，主要因為秭歸國家站1998年從原站址(現彭家坡站)遷至新址，地理環境和氣候背景均發生了變化，海拔高度從244 m升高至296.5 m，平均氣溫較1998年以前整體有所降低，加之新址位于原址的下游，降水量除本地產生外，還有上游來水匯集，導致遷站以后達到輕度-中度凍害指數的頻率明顯增多，這也提醒臍橙生產管理者在開展臍橙凍害防范工作時要有所側重。

表4 根據臍橙凍害等級劃分統計的發生次數年代分布 次

4.3 凍害理賠指數確定

根據表3計算出的減產率及對應的致災因子，分解低溫凍害不同等級對應的產量損失率。按照臍橙凍害減產率與凍害指數的關系，把理賠指數為1對應的賠付率作為產量損失率，后續賠付率定為前面各賠付損失率之和，設計秭歸臍橙凍害保險氣象理賠指數見表5。

表5 臍橙凍害保險氣象理賠指數

4.4 天氣指數保險理賠設計初探

在每年冬季過后，根據秭歸臍橙凍害指數計算方法(公式(3)～(5))，計算當年冬季的臍橙凍害指數，若臍橙凍害指數f≥11，即達到理賠觸發條件，根據不同理賠指數啟動理賠。

根據秭歸臍橙不同凍害等級出現的概率，計算免賠額2.5%、5%和10%的純保險費率分別為4.12%、3.16%和2.66%。農戶可以根據自己的需求，選擇不同免賠額進行投保(公式7)。保險公司在出現f≥11的觸發條件后，按賠付率×投保金額進行相應賠付率的農業保險理賠(公式8)。

5 結論與討論

本研究以秭歸縣為單位，根據凍害減產率、凍害指數和凍害指數密度計算秭歸臍橙的純保險費率，設計臍橙低溫凍害保險指數產品，為其他各市縣開展相關業務奠定基礎。

(1)全面考慮了冬季極端最低氣溫、低溫最長持續時間、降水量及降水最長持續時間有關等各氣象因素對臍橙凍害的影響，設計低溫凍害指數模型。

(2)考慮到臍橙果樹從種植到生產有一個過程，一般第四年進入豐產期，設計成年果樹的種植面積模型，剔除新開園對產量減產率的影響。根據低溫凍害對臍橙產量影響的程度，設計不同秭歸臍橙保險賠付率。

(3)臍橙天氣指數保險模型基于氣象因子與作物減產率的關系，不需要實地勘察定損，理賠方便簡單。保險合同制定充分考慮了不同樹齡果園的投保面積，農戶和保險公司分別按照25%、50%、75%、100%的比例進行投保和理賠。

(4)影響臍橙產量的因素很多，本文僅考慮了對臍橙產量影響最大的低溫凍害，在出現高溫干旱、連陰雨、倒春寒等氣候條件疊加影響時，綜合氣象保險指數產品的研究迫在眉睫。此外，因區域站資料序列短，加之無法獲取臍橙不同種植區域的產量和種植面積等基礎數據，本文采用秭歸國家站的氣象數據進行了秭歸全縣的凍害指數設計，未考慮不同種植區域海拔、氣候等的差異，會導致有的地區達到指數要求卻未受災，有的地區遭受災害卻未達到指數要求得不到賠償，這也是下一步需要解決的問題。