ENSO sentinels in the Americas' humid tropics: We need combined hydrometric and isotopic monitoring for improved El Niño and La Niña impact prediction

Abstract

This Scientific Briefing presents results from a nearly 10-year hydrometric and isotope monitoring network across north-central Costa Rica, a region known as a headwater-dependent system. This monitoring system has recorded different El Niño and La Niña events and the direct/indirect effects of several hurricane and tropical storm passages. Our results show that El Niño-Southern Oscillation (ENSO) exerts a significant but predictable impact on rainfall amount anomalies, groundwater level and spring discharge, as evidenced by second-order water isotope parameters (e.g., line conditioned-excess or line-conditioned (LC)-excess). Sea surface temperature anomaly (El Niño Region 3) is correlated with a reduction in mean annual and cold front rainfall across the headwaters of north-central Costa Rica. During El Niño conditions, rainfall is substantially reduced (up to 69.2%) during the critical cold fronts period, limiting groundwater recharge and promoting an early onset of minimum baseflow conditions (up to 5 months). In contrast, La Niña is associated with increased rainfall and groundwater recharge (up to 94.7% during active cold front periods). During La Niña, the long-term mean spring discharge (39 Ls 1) is exceeded 63–80% of the time, whereas, during El Niño, the exceedance time ranges between 26% and 44%. The regional hydroclimatic variability is also imprinted on the hydrogen and oxygen isotopic compositions of meteoric waters. Drier conditions favoured lower LC-excess in rainfall ( 17.3‰) and spring water ( 6.5‰), whereas wetter conditions resulted in greater values (rainfall = +17.5‰; spring water = +10.7‰). The lower and higher LC-excess values in rainfall corresponded to the very strong 2014– 2016 El Niño and 2018 La Niña, respectively. During the recent triple-dip 2021–23 La Niña, LC-excess exhibited a significant and consistently increasing trend. These findings highlight the importance of combining hydrometric, synoptic and isotopic monitoring as ENSO sentinels to advance our current understanding of ENSO impacts on hydrological systems across the humid Tropics. Such information is critical to constraining the 21st century projections of future water stress across this fragile region.Este informe científico presenta los resultados de un estudio hidrométrico e isotópico de casi 10 años. red de monitoreo en el centro-norte de Costa Rica, una región conocida como sistema dependiente de la cabecera. Este sistema de monitoreo ha registrado diferentes El Niño y La Niña y los efectos directos/indirectos de varios huracanes y tormentas tropicales. pasajes de tormenta. Nuestros resultados muestran que El Niño-Oscilación del Sur (ENSO) ejerce un Impacto significativo pero predecible en las anomalías en la cantidad de lluvia y el nivel del agua subterránea. y descarga de manantial, como lo demuestran los parámetros de isótopos de agua de segundo orden (por ejemplo, exceso de línea condicionada o exceso de línea condicionada (LC)). Temperatura de la superficie del mar anomalía (El Niño Región 3) se correlaciona con una reducción en la media anual y Lluvias de frente frío en las cabeceras del centro-norte de Costa Rica. Durante El Niño condiciones, las precipitaciones se reducen sustancialmente (hasta un 69,2%) durante los frentes fríos críticos período, limitando la recarga de aguas subterráneas y promoviendo un inicio temprano de condiciones de flujo base (hasta 5 meses). Por el contrario, La Niña está asociada con aumento de las precipitaciones y la recarga de aguas subterráneas (hasta un 94,7% durante el frente frío activo) períodos). Durante La Niña se supera la descarga media primaveral a largo plazo (39 Ls 1) 63-80% del tiempo, mientras que, durante El Niño, el tiempo de superación oscila entre 26% y 44%. La variabilidad hidroclimática regional también está impresa en el hidrógeno. y composiciones isotópicas de oxígeno de aguas meteóricas. Se favorecen condiciones más secas menor exceso de LC en lluvia (17,3 ‰) y agua de manantial (6,5 ‰), mientras que las condiciones más húmedas dieron como resultado valores mayores (precipitaciones = +17,5 ‰; agua de manantial = +10,7 ‰). El Los valores más bajos y más altos de exceso de LC en las precipitaciones correspondieron a los muy fuertes 2014– 2016 El Niño y 2018 La Niña, respectivamente. Durante la reciente triple caída 2021-23 La Niña, el exceso de LC mostró una tendencia significativa y consistentemente creciente. Estos Los hallazgos resaltan la importancia de combinar mediciones hidrométricas, sinópticas e isotópicas. Monitoreo como centinelas de ENSO para avanzar en nuestra comprensión actual de ENSO. impactos en los sistemas hidrológicos en los trópicos húmedos. Esta información es crítica para limitar las proyecciones del siglo XXI sobre el estrés hídrico futuro en esta frágil región.