Key drivers controlling stable isotope variations in daily precipitation of Costa Rica: Caribbean Sea versus Eastern Pacific Ocean moisture sources

Abstract

Costa Rica is located on the Central American Isthmus, which receives moisture inputs directly from the Caribbean Sea and the Eastern Pacific Ocean. This location includes unique mountainous and lowland microclimates, but only limited knowledge exists about the impact of relief and regional atmospheric circulation patterns on precipitation origin, transport, and isotopic composition. Therefore, the main scope of this project is to identify the key drivers controlling stable isotope variations in daily-scale precipitation of Costa Rica. The monitoring sites comprise three strategic locations across Costa Rica: Heredia (Central Valley), Turrialba (Caribbean slope), and Caño Seco (South Pacific slope). Sporadic dry season rain is mostly related to isolated enriched events ranging from −5.8‰ to −0.9‰ δ18O. By mid-May, the Intertropical Convergence Zone reaches Costa Rica resulting in a notable depletion in isotope ratios (up to −18.5‰ δ18O). HYSPLIT air mass back trajectories indicate the strong influence on the origin and transport of precipitation of three main moisture transport mechanisms, the Caribbean Low Level Jet, the Colombian Low Level Jet, and localized convection events. Multiple linear regression models constructed based on Random Forests of surface meteorological information and atmospheric sounding profiles suggest that lifted condensation level and surface relative humidity are the main factors controlling isotopic variations. These findings diverge from the recognized ‘amount effect’ in monthly composite samples across the tropics. Understanding of stable isotope dynamics in tropical precipitation can be used to a) enhance groundwater modeling efforts in ungauged basins where scarcity of long-term monitoring data drastically limit current and future water resources management, b) improve the re-construction of paleoclimatic records in the Central American land bridge, c) calibrate and validate regional circulation models.

Costa Rica está ubicada en el Istmo Centroamericano, que recibe aportes de humedad directamente del Mar Caribe y del Océano Pacífico Oriental. Esta ubicación incluye microclimas montañosos y de tierras bajas únicas, pero solo existe un conocimiento limitado sobre el impacto del relieve y los patrones de circulación atmosférica regional sobre el origen, el transporte y la composición isotópica de las precipitaciones. Por lo tanto, el alcance principal de este proyecto es identificar los impulsores clave que controlan las variaciones de isótopos estables en la precipitación a escala diaria de Costa Rica. Los sitios de monitoreo comprenden tres ubicaciones estratégicas en Costa Rica: Heredia (Valle Central), Turrialba (vertiente del Caribe) y Caño Seco (vertiente del Pacífico Sur). La lluvia esporádica de la estación seca se relaciona principalmente con eventos enriquecidos aislados que van desde −5,8 ‰ a −0,9 ‰ δ18O. A mediados de mayo, la Zona de Convergencia Intertropical llega a Costa Rica, lo que resulta en un notable agotamiento de las proporciones de isótopos (hasta −18,5 ‰ δ18O). Las trayectorias de retroceso de la masa de aire de HYSPLIT indican la fuerte influencia en el origen y transporte de la precipitación de tres mecanismos principales de transporte de humedad, el chorro de bajo nivel del Caribe, el chorro de bajo nivel de Colombia y los eventos de convección localizados. Múltiples modelos de regresión lineal construidos a partir de bosques aleatorios de información meteorológica de superficie y perfiles de sondeo atmosférico sugieren que el nivel de condensación elevado y la humedad relativa de la superficie son los principales factores que controlan las variaciones isotópicas. Estos hallazgos difieren del "efecto de cantidad" reconocido en muestras compuestas mensuales en los trópicos. La comprensión de la dinámica de isótopos estables en la precipitación tropical se puede utilizar para a) mejorar los esfuerzos de modelado de aguas subterráneas en cuencas no calibradas donde la escasez de datos de monitoreo a largo plazo limita drásticamente la gestión actual y futura de los recursos hídricos, Puente terrestre centroamericano, c) calibrar y validar modelos de circulación regional.