ENSO sentinels in the Americas' humid tropics: We need combined hydrometric and isotopic monitoring for improved El Niño and La Niña impact prediction
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Date
2023Author
Sánchez-Murillo, Ricardo
Birkel, Christian
Boll, J.
Esquivel-Hernández, Germain
Rojas-Jiménez, L. D.
Castro-Chacón, L.
Durán-Quesada, Ana María
Voarintsoa, Ny Riavo
Dee, Sylvia
Winguth, Arne
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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.
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