Spatial and Temporal Variation of Stable Isotopes in Precipitation across Costa Rica: An Analysis of Historic GNIP Records

Abstract

The location of Costa Rica on the Central American Isthmus creates unique microclimate systems that receive moisture inputs directly from the Caribbean Sea and the Pacific Ocean. In Costa Rica, stable isotope monitoring was conducted by the International Atomic Energy Agency and the World Meteorological Association as part of the worldwide effort entitled Global Network of Isotopes in Precipitation. Sampling campaigns were mainly comprised of monthly-integrated samples during intermittent years from 1990 to 2005. The main goal of this study was to determine spatial and temporal isotopic variations of meteoric waters in Costa Rica using historic records. Samples were grouped in four main regions: Nicoya Peninsula (2H = 6.6518O − 0.13; r2 = 0.86); Pacific Coast (2H = 7.6018O + 7.95; r2 = 0.99); Caribbean Slope (2H = 6.9718O + 4.97; r2 = 0.97); and Central Valley (2H = 7.9418O + 10.38; r2 = 0.98). The water meteoric line for Costa Rica can be defined as 2H = 7.6118O + 7.40 (r2 = 0.98). The regression of precipitation amount and annual arithmetic means yields a slope of −1.6‰ 18O per 100 mm of rain (r2 = 0.57) which corresponds with a temperature effect of −0.37‰ 18O/ ̊C. A strong correlation (r2 = 0.77) of −2.0‰ 18O per km of elevation was found.

Samples within the Nicoya Peninsula and Caribbean lowlands appear to be dominated by evaporation enrichment as shown in d-excess interpolation, especially during the dry months, likely resulting from small precipitation amounts. In the inter-mountainous region of the Central Valley and Pacific slope, complex moisture recycling processes may dominate isotopic variations. Generally, isotopic values tend to be more depleted as the rainy season progresses over the year.

Air parcel back trajectories indicate that enriched isotopic compositions both in Turrialba and Monteverde are related to central Caribbean parental moisture and low rainfall intensities. Depleted events appear to be related to high rainfall amounts despite the parental origin of the moisture.

La ubicación de Costa Rica en el Istmo Centroamericano crea sistemas de microclima únicos que reciben entradas de humedad directamente del Mar Caribe y el Océano Pacífico. En Costa Rica, el Organismo Internacional de Energía Atómica y la Asociación Meteorológica Mundial realizaron el monitoreo de isótopos estables como parte del esfuerzo mundial titulado Red mundial de isótopos en las precipitaciones. Las campañas de muestreo se componían principalmente de muestras integradas mensualmente durante años intermitentes de 1990 a 2005. El objetivo principal de este estudio fue determinar las variaciones isotópicas espaciales y temporales de las aguas meteóricas en Costa Rica utilizando registros históricos. Las muestras se agruparon en cuatro regiones principales: Península de Nicoya (2H = 6.6518O - 0.13; r2 = 0.86); Costa del Pacífico (2H = 7,6018O + 7,95; r2 = 0,99); Pendiente del Caribe (2H = 6,9718O + 4,97; r2 = 0,97); y Valle Central (2H = 7,9418O + 10,38; r2 = 0,98). La línea meteórica del agua para Costa Rica se puede definir como 2H = 7.6118O + 7.40 (r2 = 0.98). La regresión de la cantidad de precipitación y las medias aritméticas anuales arroja una pendiente de −1,6 ‰ 18O por 100 mm de lluvia (r2 = 0,57) que corresponde a un efecto de temperatura de −0,37 ‰ 18O / ̊C. Se encontró una fuerte correlación (r2 = 0,77) de −2,0 ‰ 18O por km de elevación. Las muestras dentro de la Península de Nicoya y las tierras bajas del Caribe parecen estar dominadas por el enriquecimiento por evaporación como se muestra en la interpolación de exceso d, especialmente durante los meses secos, probablemente como resultado de pequeñas cantidades de precipitación. En la región intermontañosa del Valle Central y la vertiente del Pacífico, los complejos procesos de reciclaje de la humedad pueden dominar las variaciones isotópicas. Generalmente, los valores isotópicos tienden a agotarse a medida que avanza la temporada de lluvias a lo largo del año. Las trayectorias inversas de las parcelas de aire indican que las composiciones isotópicas enriquecidas tanto en Turrialba como en Monteverde están relacionadas con la humedad parental del Caribe central y las bajas intensidades de lluvia. Los eventos agotados parecen estar relacionados con altas cantidades de lluvia a pesar del origen paterno de la humedad.