Stable isotope tempestology of tropical cyclones across the North Atlantic and Eastern Pacific Ocean basins

Abstract

Abstract. Tropical cyclones (TCs) are one of the major natural hazards to island and coastal communities and ecosystems. However, isotopic compositions of TC-derived precipitation (P) in surface water (SW) and groundwater (GW) reservoirs are still lacking. We tested the three main assumptions of the isotope storm “spike” hypothesis (sudden spikes in isotopic ratios). Our database covers 40 TCs and is divided into recent (N = 778; 2012–2023) and archived (N = 236; 1984–1995) rainfall isotope observations and SW/GW isotope monitoring (N = 6013; 2014–2023). Seasonal rainfall contribution from TCs ranged from less than 1% to over 54% (4% on average) between 1984 and 2023. Mean δ18O compositions across TCs domains were significantly lower than the regional (noncyclonic) δ18O mean (−5.24 ± 4.27‰): maritime (−6.29 ± 3.28‰), coastal (−7.78 ± 4.28‰), and inland (−9.80 ± 5.18‰) values. Coastal and maritime TC convection resulted in large rainfall amounts with high isotope compositions. This could bias past climate reconstructions toward unrealistic drier conditions. Significant δ18O and d-excess differences were found between storm intensities. P/SW and P/GW isotope ratios revealed the rapid propagation of TC excursions in freshwater systems. Our findings highlight the potential of TC isotope observations for diagnosing intensity and frequency in paleoproxies beyond idealized TC models.

Resumen. Los ciclones tropicales (CT) son uno de los principales peligros naturales para las comunidades y ecosistemas insulares y costeros. Sin embargo, aún no se conocen las composiciones isotópicas de las precipitaciones (P) derivadas de los CT en los depósitos de aguas superficiales (SW) y subterráneas (GW). Hemos puesto a prueba los tres supuestos principales de la hipótesis de los «picos» isotópicos de las tormentas (picos repentinos en las relaciones isotópicas). Nuestra base de datos abarca 40 CT y se divide en observaciones isotópicas de precipitaciones recientes (N = 778; 2012-2023) y archivadas (N = 236; 1984-1995) y seguimiento isotópico de SW/GW (N = 6013; 2014-2023). La contribución estacional de las precipitaciones de los CT osciló entre menos del 1 % y más del 54 % (4 % de media) entre 1984 y 2023. Las composiciones medias de δ18O en los dominios de los CT fueron significativamente inferiores a la media regional (no ciclónica) de δ18O (-5,24 ± 4,27‰): valores marítimos (-6,29 ± 3,28‰), costeros (-7,78 ± 4,28‰) e interiores (-9,80 ± 5,18‰). La convección costera y marítima del CT dio lugar a grandes cantidades de precipitación con composiciones isotópicas elevadas. Esto podría sesgar las reconstrucciones climáticas del pasado hacia condiciones más secas poco realistas. Se encontraron diferencias significativas de δ18O y d-exceso entre las intensidades de tormenta. Las relaciones isotópicas P/SW y P/GW revelaron la rápida propagación de las excursiones del CT en los sistemas de agua dulce. Nuestros hallazgos destacan el potencial de las observaciones isotópicas de CT para diagnosticar la intensidad y frecuencia en paleoproxies más allá de los modelos idealizados de CT.