2023年9月11日清晨，高达7 m的洪水沿着一条穿过利比亚东部德尔纳市（Derna）的河床奔涌而下，而该河床平常是干涸的[
1]。附近两座建于20世纪70年代，用黏土、岩石和泥土建造的防洪水坝，在经历近飓风强度风暴带来的强降雨后决堤了（
图1）[
2]。据利比亚政府统计，洪水淹没该市大部分地区后，造成4500多人死亡[
3]。
发生在德尔纳的这场灾难是近年来强降水导致基础设施垮塌的众多案例之一。2019年，巴西布鲁马迪纽附近一座蓄积了近130万立方米尾矿的大坝坍塌，导致237人死亡[
4]。2015年，美国南卡罗来纳州的一场暴雨在短短6 h内降雨量超过41 cm，导致该州50多座大坝决堤[
5]。在全球范围内，随着气候变化引发更大、更强的风暴，更多基础设施同样面临着更大的风险[
6]。
目前，一项关键估算方法正在进行更新升级，以适应气候变化时代的需求。该方法在过去75年里一直指导着美国及其他国家的水坝、核电站和其他基础设施的设计和工程建造。由美国国家科学院、工程院和医学院召集的一个专家小组建议采用一种新方法来计算可能最大降水（PMP）——这一指标用于衡量特定时间内特定区域可能降下的最大降雨量[
7]。该小组在2024年6月的一份报告中详细阐述了其建议，包括纳入更准确的天气数据、更多地利用气候模型以及修订PMP的定义以更好地反映当前对最大降水量的理解[
8]。改进后的PMP方法将有助于建设更具韧性的基础设施。但据该委员会主席、美国新泽西州普林斯顿大学工程与应用科学教授James Smith表示，PMP对于评估现有水坝和核电站的安全性也很有用，因此修订后的估算方法也有助于保护这些设施。
独立专家表示，此次升级备受期待，而且早就应该进行了。“他们的建议是正确的。”美国加利福尼亚州帕萨迪纳加州理工学院环境科学与工程教授Tapio Schneider说，“这正在使一种过时的做法现代化。”
对于美国而言，目前对PMP的官方定义为：在特定区域、特定季节和特定时间段内，某一规模的风暴理论上可能产生的最大降水量[
8]。PMP具有重要意义，因为它可以用于估算特定类型基础设施必须承受的最大洪水[
8]。在美国，PMP是针对那些一旦失效将造成灾难性后果的构筑物（包括50多座核电站和约16 000座所谓的高风险大坝）所制定的设计和安全标准[
8‒
9]。然而，对于其他类型的基础设施（如桥梁、排水系统、防洪堤和一些大坝）则采用不同的标准，即降水频率[
8]。其他国家也依赖PMP来设计和维护其基础设施。
当前PMP的估算方法基于四大关键因素[
8]。首先是来自风暴目录的降水数据，这些数据记录了过去的天气事件。部分测量数据来自官方雨量计，但也有部分来自非传统设备。1942年，美国宾夕法尼亚州斯梅斯波特附近在4.5 h内总降水量达到了780 mm，这一不足5 h的降水总量记录是通过一个玻璃瓶测量得到的[
8]。另外，1935年美国得克萨斯州达汉尼斯附近在2.75 h内总降水量达到了580 mm，该数据是通过一个马槽测量得到的[
8]。美国威斯康星大学密尔沃基分校的大气科学教授Paul Roebber表示，尽管这些所谓的桶式测量可能看起来很简陋，但由于它们比传统雨量计追溯的时间更久远，由此具有重要价值。Roebber与该报告无任何关联，他表示：“在准确性上有所损失，但在记录长度上得到了弥补。”
PMP估算的另一个关键是，认为一个地区的暴雨情况可以为另一个地区暴雨的运行规律提供指导，这一概念被称为暴雨移置，它使专家能够利用过去的天气数据来预测未来天气事件的降水量[
8,
10]。地形会改变降水量，而PMP的第三个关键因素包含一系列用于修正这些影响的措施[
8]。最后一个关键因素是“可能最大降水”这一名称所固有的含义——在特定的时间和地点，降水量是有限的，不会更多[
8]。
美国国家科学院的报告指出，这四个因素都存在不足。例如，用于估算PMP的降水记录是不充分的。即使是最久远的桶式测量记录也只能追溯到几十年前。但气候变化意味着，过去每1000年或更长时间才发生一次的暴雨正变得越来越常见[
8,
11‒
12]。目前估算PMP的方法并未反映此类暴雨发生概率的增加。
此外，也许最大降水量这一概念的提出本身就是完全错误的。“地球上的水资源是有限的——这似乎是很直观的道理。”报告合著者、美国科罗拉多州立大学柯林斯堡分校统计学教授Dan Cooley说，但现实中研究人员却从未能够真正准确地计算出降水量的上限。Smith表示，假设降水量确实达到了最大值，这对于设定和使用PMP来说是至关重要的，“该概念具有局限性，但也是一项杰出的工程创新”，因为它使得设计非常安全。因此，尽管美国有一些水坝因极端天气而坍塌（
图2），但该国总体上避免了灾难性的水坝故障，他说。
此外，PMP方法并未考虑气候变化因素，因为估算所需的信息来源于过去的天气数据。“用几十年前的数据来谈论未来的风险，这本身就存在问题。”Cooley说道。
该报告建议，为推动PMP现代化，应首先修订其定义，以反映降水是否会达到极值这一问题的不确定性。新定义将PMP定义为在特定气候条件下，在特定时间、区域和暴雨持续时间内，不太可能超过的降水量[
8]。报告认为，为了符合这一概率性定义，最终应以分辨率小于或等于1 km的多个气候模型的结果作为PMP估算的基础[
8]。研究人员还需要使用一种称为极值分析[
12]的统计方法来估算暴雨极不可能超过的降水量[
8]。
但完成这些步骤可能需要五到十年的时间。因此，该报告还提出了一个临时解决方案，以在未来五年内改进PMP估算。其中一项建议是完善风暴目录。引入新一代天气雷达（NEXRAD）[
13]提供的更准确、更新的降水测量数据，提高PMP估算的可靠性[
8]。NEXRAD是由美国国家气象局运营的一套由159部高分辨率S波段多普勒天气雷达组成的网络，于1992年投入使用。此外，纳入对过去暴雨模拟所得出的降水量预测数据也将有助于提高PMP估算的可靠性[
8]。不过，Smith表示，该报告并未提议摒弃桶式测量数据，“我们真的需要这些过往的观测数据”。
Schneider表示，基于气候模型转向PMP估算的建议是合理的。“我们需要评估极端天气带来的风险，而使用模型正是我们做到这一点的方法。”他指出，2023年，美国总统科学与技术顾问委员会也得出了类似的结论，即建模对于预测未来天气（尤其是极端天气事件）具有重要意义[
14]。Smith表示，PMP改革的瓶颈在于这些模拟结果的可用性。研究人员已经开发出了具有必要分辨率的模型，但由于这些模型需要耗费大量的超级计算机运算时间，因此尚未得到广泛应用。为了生成新的PMP估算值，研究人员将需要进行大量的模拟运算，这些运算要涵盖各种可能的情况[
8]。人工智能正在被用来提高短期天气预报的准确性[
15]，同样可以用来提高这些模型的性能[
8]。不过，Smith表示，“要实现通过运行足够多的模拟来估算PMP，还需要一段时间。”
关键在于，美国国会于2021年和2022年通过的两项法律要求美国国家海洋和大气管理局在2030年之前发布新的全国性PMP估算值[
7]。Smith表示，鉴于时间有限，新数值将只能是不完全基于建模的临时估算值。但他认为还是有可能在规定的截止日期前完成这一任务的，“我们能够做到。”
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