Distinguishing the Regional Atmospheric Controls on Precipitation Isotopic Variability in the Central-Southeast Portion of Brazil

Abstract

Precipitation isotope ratios (O and H) record the history of water phase transitions and fractionation processes during moisture transport and rainfall formation. Here, we evaluated the isotopic composition of precipitation over the central-southeastern region of Brazil at different timescales. Monthly isotopic compositions were associated with classical effects (rainfall amount, seasonality, and continentality), demonstrating the importance of vapor recirculation processes and different regional atmospheric systems (South American Convergence Zone-SACZ and Cold Fronts-CF). While moisture recycling and regional atmospheric processes may also be observed on a daily timescale, classical effects such as the amount effect were not strongly correlated (δ18O-precipitation rate r ≼ −0.37). Daily variability revealed specific climatic features, such as δ18O depleted values (∼6‰ to −8‰) during the wet season were associated with strong convective activity and large moisture availability. Daily isotopic analysis revealed the role of different moisture sources and transport effects. Isotope ratios combined with d-excess explain how atmospheric recirculation processes interact with convective activity during rainfall formation processes. Our findings provide a new understanding of rainfall sampling timescales and highlight the importance of water isotopes to decipher key hydrometeorological processes in a complex spatial and temporal context in central-southeastern Brazil.

Las proporciones de isótopos de precipitación (O y H) registran la historia de las transiciones de fase del agua y los procesos de fraccionamiento durante el transporte de humedad y la formación de lluvia. Aquí, evaluamos la composición isotópica de la precipitación en la región centro-sureste de Brasil en diferentes escalas de tiempo. Las composiciones isotópicas mensuales se asociaron con efectos clásicos (cantidad de lluvia, estacionalidad y continentalidad), demostrando la importancia de los procesos de recirculación de vapor y los diferentes sistemas atmosféricos regionales (Zona de Convergencia Sudamericana-ZEC y Frentes Fríos-FC). Si bien el reciclaje de la humedad y los procesos atmosféricos regionales también se pueden observar en una escala de tiempo diaria, los efectos clásicos, como el efecto de la cantidad, no estaban fuertemente correlacionados (tasa de precipitación δ18O r ≼ −0,37). La variabilidad diaria reveló características climáticas específicas, como los valores agotados de δ18O (∼6‰ a −8‰) durante la estación húmeda que se asociaron con una fuerte actividad convectiva y una gran disponibilidad de humedad. El análisis isotópico diario reveló el papel de diferentes fuentes de humedad y efectos del transporte. Las proporciones de isótopos combinadas con el exceso de d explican cómo los procesos de recirculación atmosférica interactúan con la actividad convectiva durante los procesos de formación de lluvia. Nuestros hallazgos proporcionan una nueva comprensión de las escalas de tiempo de muestreo de lluvia y resaltan la importancia de los isótopos del agua para descifrar procesos hidrometeorológicos clave en un contexto espacial y temporal complejo en el centro-sureste de Brasil.