Isotopic variability (δ18O, δ2 H and d-excess) during rainfall events of the north American monsoon across the Sonora River Basin, Mexico

Abstract

The economic activities of the Sonora strongly depend on groundwater extraction, which is generally of recent meteoric origin. Understanding the hydrological functioning in this semi-arid region, located in northwestern Mexico, is crucial for integrated water management in a changing climate. This study presents a spatio-temporal analysis of the isotopic composition (δ18O, δ2 H, d-excess) during the 2018 rainy season in the Sonora River Basin (SRB), a region influenced by the characteristic weather conditions of the North American Monsoon (NAM). The basin is located in the central region of Sonora and covers an area of approximately 27,000 km2 . Precipitation was collected using six passive totalizers, distributed spatially from the coast of the Gulf of California up to 1,425 m asl inland. The rainfall isotopic composition is comparable with the Global Meteoric Water Line (GMWL) and with the records of the Global Isotope Network in Precipitation (GNIP) in Chihuahua, Mexico, between 1962 and 1988, and Tucson, Arizona (2018). The temporal variability of rainfall isotope ratios was Δ18O = 7.4‰ and Δ2 H = 49.8‰, with a clear depletion pattern (low δ18O) as the monsoon rainy season progressed. The isotopic lapse rate was found to be − 1.0‰ in δ18O per km of elevation as a result of the topography relief and rainout effects within the basin. The influence of tropical cyclones such as Hurricane Sergio (October 2018) provided the opportunity to isolate the effects of a tropical storm with respect to the deep convective precipitation, typical of the NAM systems over northwest MexicoLas actividades económicas de Sonora dependen en gran medida de la extracción de agua subterránea, que generalmente es de origen meteórico reciente. Comprender el funcionamiento hidrológico en esta región semiárida, ubicada en el noroeste de México, es crucial para la gestión integral del agua en un clima cambiante. Este estudio presenta un análisis espacio-temporal de la composición isotópica (δ18O, δ2 H, d-exceso) durante la temporada de lluvias 2018 en la Cuenca del Río Sonora (SRB), una región influenciada por las condiciones climáticas características del Monzón de América del Norte ( NAM). La cuenca está ubicada en la región central de Sonora y cubre un área de aproximadamente 27,000 km2. La precipitación se recogió utilizando seis totalizadores pasivos, distribuidos espacialmente desde la costa del Golfo de California hasta 1.425 m snm tierra adentro. La composición isotópica de las precipitaciones es comparable con la Línea de Agua Meteórica Global (GMWL) y con los registros de la Red Global de Isótopos en Precipitación (GNIP) en Chihuahua, México, entre 1962 y 1988, y Tucson, Arizona (2018). La variabilidad temporal de las proporciones de isótopos de lluvia fue Δ18O = 7.4 ‰ y Δ2 H = 49.8 ‰, con un patrón de agotamiento claro (bajo δ18O) a medida que avanzaba la temporada de lluvias monzónicas. Se encontró que la tasa de caída isotópica era de - 1.0 ‰ en δ18O por km de elevación como resultado del relieve de la topografía y los efectos de la lluvia dentro de la cuenca. La influencia de ciclones tropicales como el huracán Sergio (octubre de 2018) brindó la oportunidad de aislar los efectos de una tormenta tropical con respecto a la precipitación convectiva profunda, típica de los sistemas NAM sobre el noroeste de México.