Hydrometeorological Factors Controlling the Stable Isotopic Composition of Precipitation in the Highlands of South Ecuador

Abstract

Knowledge about precipitation generation remains limited in the tropical Andes due to the lack of water stable isotope (WSI) data. Therefore, we investigated the key factors controlling the isotopic composition of precipitation in the Páramo highlands of southern Ecuador using event-based (high frequency) WSI data collected between November 2017 and October 2018. Our results show that air masses reach the study site preferentially from the eastern flank of the Andes through the Amazon basin (73.2%), the Orinoco plains (11.2%), and the Mato Grosso Massif (2.7%), whereas only a small proportion stems from the Pacific Ocean (12.9%). A combination of local and regional factors influences the δ18O isotopic composition of precipitation. Regional atmospheric features (Atlantic moisture, evapotranspiration over the Amazon rainforest, continental rain-out, and altitudinal lapse rates) are what largely control the meteoric δ18O composition. Local precipitation, temperature, and the fraction of precipitation corresponding to moderate to heavy rainfalls are also key features influencing isotopic ratios, highlighting the importance of localized convective precipitation at the study site. Contrary to δ18O, d-excess values showed little temporal variation and could not be statistically linked to regional or local hydrometeorological features. The latter reveals that large amounts of recycled moisture from the Amazon basin contribute to local precipitation regardless of season and predominant trajectories from the east. Our findings will help to improve isotope-based climatic models and enhance paleoclimate reconstructions in the southern Ecuador highlands.

El conocimiento sobre la generación de precipitaciones sigue siendo limitado en los Andes tropicales debido a la falta de datos de isótopos estables del agua (WSI). Por lo tanto, investigamos los factores clave que controlan la composición isotópica de la precipitación en las tierras altas de Páramo del sur de Ecuador utilizando datos WSI basados ​​en eventos (alta frecuencia) recopilados entre noviembre de 2017 y octubre de 2018. Nuestros resultados muestran que las masas de aire llegan al sitio de estudio preferentemente desde el flanco oriental de los Andes a través de la cuenca del Amazonas (73,2%), las llanuras del Orinoco (11,2%) y el macizo de Mato Grosso (2,7%), mientras que sólo una pequeña proporción proviene del Océano Pacífico (12,9%). Una combinación de factores locales y regionales influye en la composición isotópica de la precipitación δ18O. Las características atmosféricas regionales (humedad del Atlántico, evapotranspiración sobre la selva amazónica, lluvia continental y tasas de caída altitudinal) son las que controlan en gran medida la composición meteórica del δ18O. La precipitación local, la temperatura y la fracción de precipitación correspondiente a lluvias moderadas a intensas también son características clave que influyen en las proporciones isotópicas, lo que destaca la importancia de la precipitación convectiva localizada en el sitio de estudio. A diferencia de δ18O, los valores de exceso de d mostraron poca variación temporal y no pudieron vincularse estadísticamente con características hidrometeorológicas regionales o locales. Esto último revela que grandes cantidades de humedad reciclada de la cuenca del Amazonas contribuyen a las precipitaciones locales independientemente de la estación y las trayectorias predominantes desde el este. Nuestros hallazgos ayudarán a mejorar los modelos climáticos basados ​​en isótopos y mejorar las reconstrucciones paleoclimáticas en las tierras altas del sur de Ecuador.