Evolution, applications, and emerging challenges in probable maximum precipitation estimation: A bibliometric and systematic review

تخيل أنك تقف على حافة سد ضخم، هيكل بُني ليحجز خلفه نهراً قد يتضخم يوماً ما إلى حجم لم يره أحد من قبل. لا يصمم المهندسون هذه الحواجز الحرجة بناءً على ما حدث في الماضي، بل بناءً على ما يمكن أن يحدث في أسوأ السيناريوهات الممكنة. إنهم بحاجة إلى معرفة الحد الأقصى المطلق لكمية الأمطار التي يمكن أن تنتجها منطقة معينة في عاصفة واحدة، وهو سقف نظري يُعرف باسم "الحد الأقصى المحتمل لهطول الأمطار". هذا الرقم ليس تنبؤاً بما سيسقط غداً، بل هو حساب أمان للقرن القادم. إذا كان هذا التقدير منخفضاً جداً، فقد يفشل السد، مما يؤدي إلى إطلاق فيضان كارثي. وإذا كان مرتفعاً جداً، فسيصبح الهيكل مكلفاً وغير ضروري ومبذراً. لعقود من الزمن، حاول العلماء تحديد هذا الحد، معتبرين إياه رقماً ثابتاً مستمداً من السجلات التاريخية. ومع ذلك، ومع ارتفاع حرارة الكوكب وقدرة الغلاف الجوي على حبس المزيد من الرطوبة، تغير السؤال: هل لا يزال هذا الحد هو نفسه، أم أنه يتحرك؟

تكشف مراجعة شاملة للأبحاث العالمية، نشرها فريق من جامعة إسبيريتو سانتو الفيدرالية في البرازيل، أن العلم وراء هذه التقديرات يمر بتحول عميق. حلل الباحثون ما يقرب من 400 مقال علمي نُشرت على مدار السبعين عاماً الماضية، وتتبعوا كيفية تطور المجال من الاعتماد على السجلات التاريخية البسيطة إلى التكامل المعقد مع النماذج المناخية والمحاكاة الفيزيائية. وتظهر أعمالهم أنه بينما لا تزال الطرق القديمة قيد الاستخدام، فإن المجتمع العلمي يدرك بشكل متزايد أن قواعد الطقس المتطرف تتغير. وتجد الدراسة أن المجال ينتقل من فكرة وجود رقم واحد غير متغير إلى نهج أكثر مرونة يأخذ في الاعتبار عالماً دافئاً، رغم بقاء فجوات كبيرة في البيانات والفهم.

تحكي تاريخ هذا البحث قصة بدايات بطيئة تبعها انفجار سريع في الاهتمام. ففي العقود القليلة الأولى، من الخمسينيات حتى التسعينيات، كان يُنشر عدد قليل فقط من الأوراق البحثية سنوياً حول هذا الموضوع. كان المجال هادئاً، تهيمن عليه دول قليلة مثل الولايات المتحدة، حيث طُورت الأساليب التأسيسية. ومع ذلك، بدءاً من عام 2011 تقريباً، ارتفع حجم الأبحاث بشكل كبير. وبحلول منتصف العشرينيات، كانت أكثر من 70 في المائة من جميع الدراسات التي كُتبت عن هذا الموضوع قد نُشرت. ويتزامن هذا الازدهار مع الوعي العالمي المتزايد بتغير المناخ والحاجة الملحة لضمان قدرة السدود والجسور وأنظمة الصرف على تحمل العواصف التي تزداد شدة. كما انتشر البحث جغرافياً؛ فبينما تظل الولايات المتحدة والهند والصين هي المساهمين الرئيسيين، يشارك الآن علماء من جميع أنحاء آسيا وأوروبا والأمريكتين بنشاط، جالبيْن معهم مناخات محلية متنوعة إلى الحوار.

عندما نظر الباحثون في كيفية حساب العلماء لهذه الحدود القصوى لهطول الأمطار فعلياً، وجدوا أن المجال لا يزال مرتبطاً بقوة بمنهجين تقليديين. الطريقة الأكثر شيوعاً، والتي تُستخدم في أكثر من ثلث الدراسات، هي تقنية إحصائية تنظر إلى أكبر هطولات الأمطار المسجلة في التاريخ وتطبق عاملاً رياضياً لتقدير الحد الأقصى. والمنهج الثاني الأكثر شعبية هو المنهج الهيدروميتيورولوجي (الأرصادي المائي)، والذي يتضمن أخذ عاصفة حقيقية شديدة حدثت بالفعل و"تعظيم" خصائصها رياضياً — مثل كمية الرطوبة التي حملها الهواء أو سرعة الرياح — لمعرفة مقدار الأمطار التي كان من الممكن أن تنتجها في ظل ظروف مثالية وأسوأ الحالات. ومعاً، يمثل هذان المنهجان التقليديان ما يقرب من ثلثي جميع التقديرات الجديدة المنتجة في السنوات الأخيرة. وهما يظلان شائعين لأنه من السهل تطبيقهما ولا يتطلبان كميات هائلة من البيانات المعقدة.

ومع ذلك، تسلط المراجعة الضوء على تحول واضح وثابت نحو تقنيات أكثر تطوراً. يستخدم عدد متزايد من الباحثين نماذج حاسوبية تحاكي فيزياء الغلاف الجوي، وتتعامل مع العواصف كنظم ديناميكية بدلاً من مجرد حالات إحصائية شاذة. يمكن لهذه النماذج أن تأخذ في الاعتبار كيف تؤثر الجبال على المطر، وكيف تدفع الحرارة العواصف، وكيف تتحرك الرطوبة عبر الهواء. وبينما لا تزال هذه النماذج الفيزيائية أقل شيوعاً من الطرق التقليدية، فإن وجودها يشير إلى توجه نحو فهم أعمق للآليات التي تخلق الأمطار المتطرفة. ويشير المؤلفون إلى أن هذا التنويع لا يتعلق بالتخلي عن الطرق القديمة، بل باختبار افتراضاتها وسد الفجوات حيث تقصر الإحصاءات البسيطة.

أحد أهم النتائج التي توصلت إليها المراجعة يتعلق بتأثير تغير المناخ. لفترة طويلة، كان الافتراض القياسي هو أن أقصى هطول ممكن للمطر في موقع ما هو قيمة ثابتة، تحددها مناخ الماضي. وتظهر المراجعة أن هذه الرؤية تتعرض للتحدي. فقد حاولت حوالي 35 دراسة من المجموعة التي تم تحليلها صراحةً حساب ما قد يكون عليه الحد الأقصى للمطر في المستقبل، باستخدام النماذج المناخية لتوقع كيف سيغير الغلاف الجاري الدافئ من إمكانات العواصف. والنتائج ليست موحدة؛ ففي بعض المناطق، تزديد أقصى معدلات هطول الأمطار المتوقعة بشكل كبير، بينما في مناطق أخرى، تكون التغييرات أصغر أو حتى تتناقص. وهذا التباين يثبت أنه لا يوجد "عامل تعديل مناخي" واحد يمكن تطبيقه في كل مكان. فالأمر يعتمد على الجغرافيا المحلية، ونوع العاصفة، والسيناريو المستقبلي المحدد الذي يتم نمذجته.

على الرغم من هذه التطورات، تحدد المراجعة تردداً كبيراً في المجتمع العلمي فيما يتعلق بمفهوم "عدم الاستقرار" (nonstationarity) — وهي الفكرة القائلة بأن القواعد الإحصائية للطقس تتغير بمرور الوقت. فقد قامت نسبة ضئيلة جداً من الدراسات، أقل من 3 في المائة، باختبار ما إذا كانت البيانات التاريخية تظهر بالفعل اتجاهاً نحو تغير القيم القصوى. لا يزال معظم الباحثين يعتمدون على افتراض أن الماضي دليل موثوق للمستقبل، حتى مع تزايد الأدلة على أن الغلاف الجوي يحبس المزيد من الرطوبة وأن العواصف تزداد شدة. ويشير المؤلفون إلى أن هذه الفجوة تمثل قصوراً كبيراً، لأنها تعني أن العديد من حسابات السلامة للبنية التحتية الحرجة قد تستند إلى افتراضات عفا عليها الزمن.

كما تشير الدراسة إلى المواضع التي يعاني فيها العلم. ففي أجزاء كثيرة من العالم، خاصة في المناطق الجبلية أو المناطق التي تفتقر إلى محطات الأرصاد الجوية، تكون البيانات شحيحة جداً لإجراء تقديرات دقيقة. بدأ العلماء في استخدام بيانات الأقمار الصناعية والرادار لسد هذه الفجوات، لكن هذه الأدوات تأتي مع شكوكها الخاصة. علاوة على ذلك، تؤكد المراجعة أن تقدير الحد الأقصى للمطر هو الخطوة الأولى فقط؛ فالخطر الحقيقي يكمن في كيفية ترجمة هذا المطر إلى فيضانات، وهو أمر يعتمد على ظروف التربة، وذوبان الثلوج، وتدفق الأنهار. ويرى المؤلفون أن مستقبل هذا المجال يكمن في الجمع بين أفضل الأساليب الإحصائية القديمة والنماذج الفيزيائية الجديدة، مع تحديث البيانات باستمرار لتعكس مناخاً متغيراً.

في نهاية المطاف، تعمل هذه المراجعة كخريطة لمجال يمر بمرحلة انتقالية. فهي تظهر أنه بينما يظل الهدف الأساسي كما هو — ضمان سلامة البنية التحتية البشرية ضد أسوأ العواصف الممكنة — فإن الأدوات والافتراضات المستخدمة للوصول إلى هذا الهدف تتطور. إن العلم ينتقل من رؤية استاتيكية (ساكنة) للعالم، حيث يملي الماضي شكل المستقبل، إلى رؤية ديناميكية تعترف بالطبيعة المتغيرة لمناخنا. ويخلص الباحثون إلى أن الطريق إلى الأمام يتطلب مزيجاً من الدقة الإحصائية، والفهم الفيزيائي، والاستعداد لتحديث تقديراتنا مع ظهور أدلة جديدة، لضمان أن الهياكل التي نبنيها اليوم يمكنها الصمود أمام عواصف الغد.