Moisture transport and seasonal variations in the stable isotopic composition of rainfall in Central American and Andean Páramo during El Niño conditions (2015–2016)

Abstract

High‐elevation tropical grassland systems, called Páramo, provide essential ecosystem services such as water storage and supply for surrounding and lowland areas. Páramo systems are threatened by climate and land use changes. Rainfall generation processes and moisture transport pathways influencing precipitation in the Páramo are poorly understood but needed to estimate the impact of these changes, particularly during El Niño conditions, which largely affect hydrometeorological conditions in tropical regions. To fill this knowledge gap, we present a stable isotope analysis of rainfall samples collected on a daily to weekly basis between January 2015 and May 2016 during the strongest El Niño event recorded in history (2014–2016) in two Páramo regions of Central America (Chirripó, Costa Rica) and the northern Andes (Cajas, south Ecuador). Isotopic compositions were used to identify how rainfall generation processes (convective and orographic) change seasonally at each study site. Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory model (HYSPLIT) air mass back trajectory analysis was used to identify preferential moisture transport pathways to each Páramo site. Our results show the strong influence of north‐east trade winds to transport moisture from the Caribbean Sea to Chirripó and the South American low‐level jet to transport moisture from the Amazon forest to Cajas. These moisture contributions were also related to the formation of convective rainfall associated with the passage of the Intertropical Convergence Zone over Costa Rica and Ecuador during the wetter seasons and to orographic precipitation during the transition and drier seasons. Our findings provide essential baseline information for further research applications of water stable isotopes as tracers of rainfall generation processes and transport in the Páramo and other montane ecosystems in the tropicsLos sistemas de pastizales tropicales de gran altitud, llamados Páramo, brindan servicios ecosistémicos esenciales, como almacenamiento y suministro de agua para las áreas circundantes y de tierras bajas. Los sistemas de páramo están amenazados por los cambios climáticos y de uso de la tierra. Los procesos de generación de lluvia y las vías de transporte de humedad que influyen en las precipitaciones en el Páramo son poco conocidos, pero es necesario estimar el impacto de estos cambios, particularmente durante las condiciones de El Niño, que afectan en gran medida las condiciones hidrometeorológicas en las regiones tropicales. Para llenar esta brecha de conocimiento, presentamos un análisis de isótopos estables de muestras de lluvia recolectadas diaria o semanalmente entre enero de 2015 y mayo de 2016 durante el evento de El Niño más fuerte registrado en la historia (2014-2016) en dos regiones de Páramo de Centroamérica ( Chirripó, Costa Rica) y el norte de los Andes (Cajas, sur de Ecuador). Se utilizaron composiciones isotópicas para identificar cómo los procesos de generación de lluvia (convectivos y orográficos) cambian estacionalmente en cada sitio de estudio. Se utilizó el análisis de la trayectoria inversa de la masa de aire del modelo híbrido de una sola partícula lagrangiana integrada (HYSPLIT) para identificar las rutas preferenciales de transporte de humedad a cada sitio de Páramo. Nuestros resultados muestran la fuerte influencia de los vientos alisios del noreste para transportar humedad desde el Mar Caribe a Chirripó y el chorro de bajo nivel sudamericano para transportar humedad desde la selva amazónica a Cajas. Estas contribuciones de humedad también se relacionaron con la formación de lluvias convectivas asociadas con el paso de la Zona de Convergencia Intertropical sobre Costa Rica y Ecuador durante las estaciones más húmedas y con la precipitación orográfica durante las estaciones de transición y más secas. Nuestros hallazgos proporcionan información de referencia esencial para futuras aplicaciones de investigación de isótopos estables en el agua como trazadores de los procesos de generación y transporte de lluvia en el Páramo y otros ecosistemas montanos en los trópicos.