宜昌市脐橙冻害保险天气指数模型设计

张 丽，孟 芳，孙艳丽，黎浩然，刘云鹏

(1.宜昌市气象局，湖北 宜昌 443000；2.湖北省秭归县气象局，湖北 秭归 443600；3.湖北省宜昌市夷陵区气象局，湖北 宜昌 443100)

1 引言

宜昌市秭归县地处长江西陵峡沿岸，全县半高山和低山多为紫色土，特别适宜脐橙生长，是农业部最早命名的“中国脐橙之乡”。影响秭归脐橙生产的气象灾害主要有低温冻害、高温热害、干旱、暴雨洪涝、冰雹、连阴雨等。除低温冻害外，其他灾害对脐橙的影响有限，而低温冻害对脐橙的影响具有不可逆性，是脐橙生产上的主要灾害[1]，会造成脐橙树体严重受伤或死亡，严重影响脐橙产业持续稳定发展。20世纪60年代以来，湖北省脐橙就遭受了多次严重冻害，使脐橙生产蒙受了巨大损失[2]。根据查阅历史资料和实地调研，1969年、1977年、1992年、2005年、2008年、2013年、2014年、2016年、2018年、2019年秭归脐橙分别遭受了不同程度的低温雨雪冰冻灾害，仅2018年的低温冰冻过程就造成全县脐橙受灾面积1万hm2，成灾面积6700 hm2，直接经济损失5000万元以上，近乎切断了当地橙农基本收入来源和生产积极性。因此，低温冻害是脐橙生产中必须重点关注的问题[3]。目前，许多学者对湖北省的脐橙冻害做了相关研究，刘涛等[4]对十堰脐橙冻害气象条件分析认为，极端最低温度低、最低温持续时间长、温度变化幅度大、低温高湿是冻害发生程度强的直接原因；周席华等[5]研究发现，秭归县脐橙的冻害程度随海拔高度增加而加深；马德栗等[2]研究了脐橙冻害等级划分方法，并指出全省综合冻害指数下降趋势最小的地方出现在三峡河谷(宜昌秭归)，说明秭归脐橙的受冻程度没有因全球气候变暖的大背景而有所减轻。农业气象灾害保险作为一种分散农业保险的有效手段，有利于分散受灾风险，稳定农民收入，宋博等[6]研究表明，脐橙收入比重和农户对农业保险的认可度与农户购买天气指数保险的支付意愿显著正相关；邓芳等[7]发现橙农对农业保险认知程度较低，但是橙农投保意愿却较强。但目前农业保险主要停留在政策保险阶段，通过实际灾害损失来定损，需要较高的人工成本，并且投保双方之间存在的一定的逆向选择和道德风险，很难确保理赔的公正性和合理性。天气指数保险具备气象监测技术成熟、定损简单赔付效率高、成本较低易推广、规避逆向选择和道德风险的优点，保险合同也是标准化合约，便于农民理解与接受，更易推广，加上政策支持力度大，市场空间较大。但目前国内针对脐橙保险天气指数的研究较少，娄伟平等[8]开创了国内脐橙保险天气理赔指数研究的先河，省内相关研究仍处于空白阶段。

本文以脐橙主产区—秭归县为研究试点对象，拟设计出科学合理的宜昌脐橙冻害保险天气指数模型，为后期与保险公司合作推出相应的保险产品提供前期气象技术支撑，从而为广大脐橙种植户有效应对气象灾害提供气象保障服务，更好地提升宜昌脐橙产业应对化解气象灾害风险能力。

2 研究资料

秭归县1998～2020年脐橙总产量、种植面积资料来自宜昌市统计年鉴；为避免资料不稳定的问题，本文尽可能获取长时间序列的历史气象数据，选取秭归国家站建站以来1961～2020年脐橙越冬期(脐橙可采成熟期至春芽展开期)逐日平均气温、日最低气温、逐日降水量等气象资料，气象资料来自秭归县气象局；灾情资料来源于秭归县民政局、秭归县气象局上报的历史气象灾情和农业气象观测资料。本文设定冬季为12月至次年2月，气候平均值为1981～2010年各相关气象要素的平均值。

3 研究内容和方法

3.1 气象产量确定

脐橙产量与树龄、环境因子等关系密切。脐橙总产量由趋势产量、气象产量、营养产量等组成：

Y=Yq+Yx+Yy+t

(1)

式(1)中，Y为脐橙总产量，单位103kg，Yq为脐橙趋势产量，Yx为脐橙气象产量，Yy为脐橙营养产量，t为脐橙随机波动产量。脐橙趋势产量是脐橙的理论产量，通过逐步回归法建立脐橙趋势产量拟合方程。脐橙气象产量是受气象因子影响的产量。气象产量的获取主要依赖于趋势产量分离[9]。为剔除新开果园对脐橙趋势产量拟合结果的干扰，本文将当年种植面积去除当年新开园面积，并将4年前新开园面积纳入当年成熟果园的种植面积。通过脐橙总产量与各年种植面积的相关分析，脐橙总产量与当年至前4年种植面积相关性显著，且通过了0.01的显著性检验。

(2)

3.2 冻害减产率确定

影响脐橙产量的气象因子有低温冻害、花期高温热害、干旱、连阴雨等，对于脐橙生长而言，减产率由年内各类气象灾害相继影响导致。第i次气象灾害造成的损失率是前面气象灾害剩余率与其气象灾害损失率的乘积。因此对于灾害发生年(低温冻害为主)，可利用上述产量分离方法分离出因低温冻害造成的脐橙减产率。

3.3 冻害指数确定

脐橙冻害不仅与低温强度有关，还与低温持续时间、降水量、降水持续时间等有关[10]。本文脐橙冻害指数的确定主要基于中华人民共和国气象行业标准(QX/T 197-2013)[11]。

3.3.1 脐橙冻害气象因子的量化

计算1961～2020年秭归国家气象站逐年冬季平均气温(T)及距平(Ta)、极端最低气温(TD)、低温最长持续时间(TC)、降水量(R)及距平(Ra)、降水最长持续时间(RC)，根据表1进行量化转换。其中，极端最低气温为冬季日最低气温的最小值；低温最长持续时间为冬季日最低气温≤-1.5 ℃的最长持续日数；降水最长持续时间为前一日20：00时后至当日20：00时降水量≥0.1 mm的最长连续降水日数。

表1 脐橙冻害气象因子分级和量化值

3.3.2 冻害指数计算

计算1961～2020年秭归国家气象站逐年旱冻指数(Idfi)和湿冻指数(Iwfi)，单站冻害指数取旱冻指数和湿冻指数的最大值，并根据表2进行量化。

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为影响系数，分别取6，1，3；Q(TD)、Q(Ra)、Q(TC)、Q(RC)分别为脐橙冻害气象因子级数。

表2 单站冻害等级的划分和量化值

3.4 天气指数保险理赔设计初探

3.4.1 费率厘定

保险费率含有纯费率和附加费率[12]。附加费率在保险费率中处于次要地位[13]。本研究只对纯保险费率进行厘定和分析。

(6)

式(6)中，R为纯保险费率；λ为保障比例，μ为预期单产，取值均为100%；U为产量损失的数学期望；xi为1961～2020年脐橙冻害减产率序列；yi为脐橙冻害等级的密度函数。

3.4.2 投保及理赔厘定

脐橙果树从种植到生产有一个过程，一般第4年进入丰产期。本文把进入丰产期的脐橙平均种植面积作为成年果园投保面积，低于4年树龄的投保面积按照平均种植面积的25%、50%、75%进行投保。农户可根据实际情况选择相应保险产品，其所需缴纳的单位面积保险费如式(7)。

P=R×A

(7)

式(7)中，A为农户投保的单位面积保险金额。

农户购买上述脐橙冻害保险产品后，在保期内达到赔偿条件，保险公司进行相应赔偿。

(8)

式(8)中，B为赔偿金额，x为减产率，xm为免赔率。

4 宜昌市脐橙冻害理赔指数设计实例

4.1 趋势产量分离

以宜昌市秭归县为例，气象灾害发生年的气象灾害成因、减产率见表3。在表3之外的年份，实际总产量和趋势总产量比较一致，误差在5.0%以下，与霍治国等研究结果较为一致[14]。对去除气象灾害发生年的营养产量计算序列前后两年进行相关分析，相关系数未达显著水平，可忽略脐橙营养产量。

表3 秭归县脐橙主要减产年及减产原因

4.2 冻害指数确定

根据秭归站建站以来(1961～2020年)气象站记录计算出脐橙越冬期冻害指数(图1)可见，60年来秭归脐橙越冬期冻害指数以0.025的速率呈现下降的变化趋势，表明脐橙的冻害程度总体在减轻。秭归脐橙60年来平均冻害指数为0.6，整体冻害程度较轻。其中高于平均冻害指数的年份有15年，冻害发生年的平均冻害指数为2.2，呈现中度-偏重度发生。

图1 建站以来(1961～2020年)秭归站冻害指数

从冻害发生频次而言(表4)，秭归60年来发生轻度冻害指数的频率为5.0%，发生中度冻害指数的频率为13.3%，发生偏重冻害指数的频率为3.3%，发生严重冻害指数及以上的频率均为1.7%，为60年一遇。近60年秭归中度以上冻害指数呈现减少趋势，但21世纪以来，秭归轻度-中度冻害指数发生频次达6次，超过过去40年频次(5次)，主要因为秭归国家站1998年从原站址(现彭家坡站)迁至新址，地理环境和气候背景均发生了变化，海拔高度从244 m升高至296.5 m，平均气温较1998年以前整体有所降低，加之新址位于原址的下游，降水量除本地产生外，还有上游来水汇集，导致迁站以后达到轻度-中度冻害指数的频率明显增多，这也提醒脐橙生产管理者在开展脐橙冻害防范工作时要有所侧重。

表4 根据脐橙冻害等级划分统计的发生次数年代分布 次

4.3 冻害理赔指数确定

根据表3计算出的减产率及对应的致灾因子，分解低温冻害不同等级对应的产量损失率。按照脐橙冻害减产率与冻害指数的关系，把理赔指数为1对应的赔付率作为产量损失率，后续赔付率定为前面各赔付损失率之和，设计秭归脐橙冻害保险气象理赔指数见表5。

表5 脐橙冻害保险气象理赔指数

4.4 天气指数保险理赔设计初探

在每年冬季过后，根据秭归脐橙冻害指数计算方法(公式(3)～(5))，计算当年冬季的脐橙冻害指数，若脐橙冻害指数f≥11，即达到理赔触发条件，根据不同理赔指数启动理赔。

根据秭归脐橙不同冻害等级出现的概率，计算免赔额2.5%、5%和10%的纯保险费率分别为4.12%、3.16%和2.66%。农户可以根据自己的需求，选择不同免赔额进行投保(公式7)。保险公司在出现f≥11的触发条件后，按赔付率×投保金额进行相应赔付率的农业保险理赔(公式8)。

5 结论与讨论

本研究以秭归县为单位，根据冻害减产率、冻害指数和冻害指数密度计算秭归脐橙的纯保险费率，设计脐橙低温冻害保险指数产品，为其他各市县开展相关业务奠定基础。

(1)全面考虑了冬季极端最低气温、低温最长持续时间、降水量及降水最长持续时间有关等各气象因素对脐橙冻害的影响，设计低温冻害指数模型。

(2)考虑到脐橙果树从种植到生产有一个过程，一般第四年进入丰产期，设计成年果树的种植面积模型，剔除新开园对产量减产率的影响。根据低温冻害对脐橙产量影响的程度，设计不同秭归脐橙保险赔付率。

(3)脐橙天气指数保险模型基于气象因子与作物减产率的关系，不需要实地勘察定损，理赔方便简单。保险合同制定充分考虑了不同树龄果园的投保面积，农户和保险公司分别按照25%、50%、75%、100%的比例进行投保和理赔。

(4)影响脐橙产量的因素很多，本文仅考虑了对脐橙产量影响最大的低温冻害，在出现高温干旱、连阴雨、倒春寒等气候条件叠加影响时，综合气象保险指数产品的研究迫在眉睫。此外，因区域站资料序列短，加之无法获取脐橙不同种植区域的产量和种植面积等基础数据，本文采用秭归国家站的气象数据进行了秭归全县的冻害指数设计，未考虑不同种植区域海拔、气候等的差异，会导致有的地区达到指数要求却未受灾，有的地区遭受灾害却未达到指数要求得不到赔偿，这也是下一步需要解决的问题。