氣溫期權設計對農業生產中氣象風險的適用性研究

王若凡+鄧佳穎+劉彥

摘要：氣溫期權是一種新型金融衍生產品類風險管理工具，可用于規避氣溫的波動對農業生產造成的損失。以江蘇省泗洪地區為例，結合當地某企業稻米生產與經營現狀，建立隨機氣溫模型，設計平均氣溫指數期權合約，論證了氣溫指數期權適用于規避農業生產中的氣象風險。

關鍵詞：氣溫期權；氣溫模擬模型；農業氣象風險

一、研究背景及意義

農業作為第一產業，是社會經濟發展的基礎，也是國民經濟發展中重要的產業部門，其重要性不言而喻。工業化農業的發展，投入大量物質和能源，促進了生產力的大幅提高，但同時也帶來了能源枯竭、環境污染和生態失調等嚴重的社會問題。其中，長時間的生態失調與環境污染導致的氣候變化對我國農業生產的影響十分顯著，現代農業生產面臨的氣象風險逐漸增加。農業受自然災害影響大，范圍廣，降水、高溫、降雪，這種非災難性災害都有可能影響農作物的收獲面積和生產收益，而傳統的保險行業卻不能提供非災難性保險，而天氣衍生品可以為這一問題的解決提供有效辦法。早在1999年，美國芝加哥商業交易所（CME）就正式掛牌交易了天氣衍生金融工具。正如一般套期保值者使用傳統的金融衍生品規避利率、股票和外匯等系統性金融風險一樣，面臨天氣風險的各類主體也利用天氣衍生品來規避天氣風險。

天氣衍生品是金融產品創新到高級階段的產物， 自出現以來，在全球尤其是歐美證券市場上得到快速發展，表現在交易品種的增加，交易的地理范圍擴大，成交量增長迅速，而在我國金融市場，天氣衍生品的發展仍處于初級階段。

徐懷禮通過闡述國外天氣衍生品市場現狀，提出了將天氣衍生品應用于我國農業災害風險管理的必要性。李永等在O-U模型的基礎上，與時間序列模型相結合的方法對天氣衍生品定價展開了有效的研究。

我國幅員遼闊，天氣情況在不同地區間的差異較大，氣溫和降水量等主要天氣指標的年變化幅度明顯，具有很強的不確定性。隨著全球氣候變暖，氣溫逐步升高，這一趨勢正在嚴重影響著農業生產環境。查閱了近50年的全國氣溫平均值后，根據數據制作了近50年來全國氣溫距平值（平均值與總平均值的差值）變動情況，如圖1所示。

可見，90年代后期以來，溫度的變化較以往更大。這些都使得一些對天氣條件依賴嚴重的產業，如農業，其經濟規模面臨較大的天氣風險。開發與研究天氣衍生產品，并運用到企業生產中，助其規避農業氣象風險已勢在必行。

本文選取江蘇省泗洪地區為研究區域，收集此地區近20年日平均氣溫數據，并采訪了當地某大型稻米生產企業，對其近十年農業生產品種，經營狀況進行初步分析，以此為樣本，對天氣衍生品（下指氣溫期權）在規避農業氣象風險中的有效性作出驗證并提出相應建議。

二、江蘇省泗洪縣氣溫變化描述性統計

江蘇泗洪地區的日平均氣溫數據可以從中國氣象科學數據共享服務網內的中國地面國際交換站氣候資料日值數據集中獲得。我們整理了1995年至2015年之間的月平均氣溫數據，建立時間序列模型，如圖2所示。

泗洪地區氣溫時序圖顯示，氣溫沒有明顯的趨勢變化，對數據進行單位根檢驗（ADF），結果如下：

Augmented Dickey-Fuller Test

data： ts1

Dickey-Fuller = -14.807， Lag order = 6， p-value = 0.01

alternative hypothesis： stationary

p-value smaller than printed p-value

P值小于0.01，因此此氣溫序列可以視為平穩序列。

對上述平穩序列建立ARMA模型，得到結果如下：

Call：arma（x = ts1）

Coefficient（s）：

ar1 ma1 intercept

0.7906 0.5756 3.1955

由此，得到氣溫模擬公式ARMA（1，1）為：

at=3.1955+0.7906at-1+0.5756εt-1+εt

根據得到的氣溫模擬公式，可得2016年1至12月的月平均氣溫。根據中國氣象科學共享服務網已有的公開資料顯示，泗洪地區2016年4月份與5月份的平均氣溫分別為17.7，20.7攝氏度。相應的模型預測值為15.8與21.4，誤差為10.2%與3.7%，總體來看，模型的預測效果良好。

三、傳統期權模型與氣溫期權模型概述

（一）Black-Scholes模型

以歐式看漲期權為例，在時刻0買方與賣方有一個合約，按此合約規定買方有一項權利，能在時刻T（到期日）以價格K（執行價）從賣方買進股票。如果時刻T股票的市場價格低于執行價格K，買方可以拒絕支付執行價；如果時刻T股票的市場價格高于執行價格K，買方就一定會選擇支付執行價同時獲得高價格的股票，期權被執行。

然而，傳統的Black-Scholes模型并不能適用于天氣衍生產品定價，原因之一是天氣走勢并不像各類資產的價格一樣遵循隨機游走的原則，天氣變量如降雨量和溫度通常會在歷史水平下在相對較窄的范圍內波動。另外一個原因是，Black-Scholes期權的賠付取決于合約到期日其基礎資產的價值，而天氣衍生品的標的指數通常是一段時期內天氣變量的累計值或平均值，可以理解為平均價格期權。

（二）氣溫期權概述

1. 合約標的指數的確定

溫度指數期貨是現階段天氣衍生品市場中交易量最大并且發展最為成熟的一種天氣衍生品合約。在國際市場上，溫度指數通常是指取暖指數（HDD）與制冷指數（CDD），在溫度指數計算時，美國參照的基準線是華氏65度，相當于攝氏18.33度，即當溫度低于基準線時，取暖需求增加，形成日HDD。

查閱資料顯示，江蘇淮北地區水稻的適宜生長溫度如表1所示。

由此，本文選取生長期最適宜的平均氣溫作為基準線，標的指數為生長期平均氣溫指數（包括平均取暖指數AHDD與平均制冷指數ACDD）。若是日平均氣溫，以第一個生長期為例，即：

HDDi=max{0，21-ADTi }

CDDi=max{0， ADTi-21}

我們可以更好的理解為，當每天的平均氣溫低于一季稻適宜的生產氣溫時，取暖需求相應增加，對應取暖需求看漲。在此基礎上形成了累積的取暖指數AHDD，n為時間段的天數：

AHDD=∑HDDi （i=1，2…….n）

同理也可以得出累積的制冷指數ACDD。

本文選取自定義的生長期累積平均氣溫指數即AHDD和ACDD作為氣溫期權的標的指數進行研究。

2. 合約規模及月份

一個適度水平的合約規模有利于增強衍生品合約的流動性，芝加哥商業交易所的制暖指數期貨合約的合約乘數為100美元，考慮到我國企業的參與熱情與財務狀況，本文中規定我國的氣溫期權合約乘數為1500元人民幣，即若AHDD指數為100時，這份合約的名義價值為100*1500=150000元人民幣。

此合約應用于農業氣象風險，因此合約的月份應有效覆蓋農作物的生長期與氣象風險持續發生的時期，根據表1的生長期分布，應該選取每年的5～9月作為合約月份，若更細分，可以售賣5份單獨的合約，合約時間與每一段生長期相對應。

3. 執行價格

基于氣溫指數的期權合約的執行價格是交易雙方事先約定的執行氣溫指數。在傳統的期權交易中，標的物到期日價格接近期權執行價格，然而氣溫本身不是商品，它沒有交易價格，因此，我們需要制定執行氣溫指數，它由合約到期日的實際氣溫換算而來。利用已經建立的上述氣溫模型ARMA（1，1）進行預測，例如，我們很容易得到2016年5月的每日執行平均氣溫為21.4攝氏度，換算為平均氣溫指數AHDD與ACDD為46與25.1（此即執行價格）。

4. 期權履約方式

基于氣溫指數的期權屬于歐式期權，買方只能在期權的執行日期行使執行的權利，不能提前執行。根據期權合約執行日期公布的天氣記錄，期權合約即可立即結算。氣溫指數期權合約可以分為氣溫指數看漲期權合約與氣溫指數看跌期權合約。氣溫指數看漲期權可以使持有者有權獲得當合約到期時由于實際平均氣溫指數高于執行氣溫指數而產生的收益，這份收益可以用來彌補由于氣溫變化而產生的生產損失，我們也可以稱它為損失補償，以5月合約中的AHDD指數為例，損失補償為：

FT=合約乘數*（∑max{0，21-ADTi}-46）

=合約乘數*（AHDD-46） （i=1，2….n）

氣溫指數看跌期權可以使持有者有權避免當合約到期日時由于實際平均氣溫指數低于執行氣溫指數而產生的損失，以5月合約中的ACDD指數為例，其避免的損失為：

FT=合約乘數*（25.1-∑max{0，ADTi-21}）

=合約乘數*（25.1-ACDD）

（i=1，2….n）

5. 整體合約框架

根據以上闡述，擬定了我國氣溫指數期權合約大致整體框架。一份完整的氣溫指數期權合約應同時包括AHDD指數與ACDD指數，如表2所示。

四、基于平均氣溫指數期權合約的農業風險對沖適用性驗證

以江蘇省泗洪地區某稻谷生產商為例說明平均氣溫指數期權對農業生產者的應用。此生產商生產品種為淮稻，每年生長期限為5至9月。我們假定生產者購買了一份2016年5月份的平均氣溫指數看漲期權合約，根據我們擬定的平均氣溫指數期權合約與2016年5月的實際日平均氣溫，計算得出2016年5月的實際平均氣溫指數AHDD為39.7，低于執行價格46，即2016年5月期間的平均取暖需求不足，生產者選擇不執行期權，僅損失期權費用權利金；當合約到期時，實際平均氣溫指數ACDD為31.2，而執行價格為25.1，即制冷需求增加，ACDD看漲，生產者可以獲得的氣溫期權收益為（31.2-25.1）*1500元=9150元。

制冷需求的增加說明2016年5月的平均氣溫偏高，這對一季稻的生長是不利因素，過早的高溫容易導致今后的一季稻減產損失，生產者通過購買一份2016年5月份的平均氣溫指數期權合約，可以有效的減少由于氣溫變化而帶來的生產損失。具體的氣溫期權購買策略，應該由生產者根據農作物產量、對今后氣溫變化經驗判斷以及對稻谷生產的培育手法綜合制定，這里只為農業生產者提供了一種新型的規避風險的思路。

例如本文所采訪的江蘇省泗洪地區當地某大型稻米生產企業，種植淮稻的年凈利潤區間為1500萬元至3000萬元，一份氣溫期權合約的價值可以達到人民幣1500元*46+1500元*25.1=106650元，占凈利潤的0.7%，若一份合約避免的損失為文中的9160元，占年凈利潤0.06%，對于生產者來說，期權合約的價值占總產值之比，以及權利金的支付額度，都是氣溫期權在實際運用中需要考慮的重要因素，這會影響決策者是否認為有必要投入氣溫期權以及其他類天氣衍生品。

五、研究結論與政策建議

我國農業生產過程中利用氣溫期權來規避氣象風險理論上是可行有效的，農業生產者可以根據對天氣變化情況的預測或經驗判斷，選擇是否購買平均氣溫指數期權合約，以此來減輕由于天氣變化對農作物生產造成的不利影響。這樣，即使由于農作物減產導致經營損失，可以通過期權市場上獲得的收益來彌補，若天氣情況適宜農作物生產，那么良好的經營業績足以支付一筆權利金來使生產獲得保障。

隨著經濟全球化的快速發展，氣候環境的日益嚴峻，我國的農業生產所面臨的風險也朝著更加復雜多元化的趨勢發展，農業作為第一生產力，應該積極應對農業生產中面臨的各種風險與挑戰，本文只是列舉了其一，利用氣溫期權來減輕氣象風險所帶來的損失。天氣衍生品對于我國保障農業繁榮穩定發展的意義巨大，潛力仍未被充分挖掘，在我國適時推出此天氣指數類衍生品有重要的現實意義。

本文就此給出以下建議：1.加強天氣類衍生品的宣傳力度，擴大交易標的范圍與參與主體。2.完善天氣衍生品合約的制定，出臺相應的法律法規，建立規范有序的交易市場。3.繼續深入對天氣衍生品的研究。對標的指數的選擇，合同價值的約定以及權利金的定價，應該以符合中國國情為目標，而不照搬國外現狀。

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*本文為江蘇省2016年大學生創新訓練計劃項目“氣溫期權設計對農業生產中氣象風險的適用性研究（SYB2016012）”的結題研究成果。

（作者單位：南京郵電大學理學院）