Long-term monitoring of stable isotopic compositions of precipitation over volcanic island, Jeju, Korea

Abstract

Stable isotopic compositions of precipitation can be widely used to understand moisture transport in the atmosphere, to reconstruct for proxies of paleoclimate and to trace interactions between groundwater and precipitation. Over Jeju volcanic island, located southwest of the Korean Peninsula, precipitation penetrated directly into the highly permeable aquifer, is the main source of groundwater. In this study, long-term stable isotopic compositions of precipitation over Jeju Island are characterized to describe spatial and temporal patterns for water resources and potential paleoclimate studies. At fifteen sites from September 2000 to December 2003, precipitation samples were collected and analyzed by Isotope Ratio Mass Spectrometer at the Korea Basic Science Institute. Compared to the previous study by Lee et al. (2003), the two seasonal local meteoric water lines changed, which may change the relative contributions of winter and summer season precipitation to the groundwater recharge. The precipitation isotopes are inversely correlated with precipitation amount in summer, whereas they do not show a strong correlation with surface air temperature. The precipitation isotopes monthly averaged relatively show a periodic function (R^2 = 0.63 and 0.40 for hydrogen and oxygen, respectively), and deuterium excess (d-excess = δD - 8×δ^18O defined by Dansgaard, 1964) shows a strong pattern of quadratic function (R^2 = 0.97), which is related to a seasonal change of air masses. Altitude effect of precipitation isotopes, which can be a clue to reveal sources of groundwater, can be observed in every aspect of the volcanic island (for the oxygen isotope, -0.14‰ for east and west, -0.18‰ for north and -0.085‰ for south per 100m). This study has clearly identified the characteristics of precipitation isotopes in Jeju Island and quantitatively calculate seasonal contribution of precipitation to recharge of groundwater by modifying Local Meteoric Water Line. Our analysis of precipitation isotopes will be helpful to provide limitations and opportunities for paleoclimate reconstruction using isotopic proxies and water movement from atmosphere to subsurface. ;강우 안정동위원소는 대기에서 수증기의 수송을 이해하고, 지하수와 강수 사이의 상호작용과 고기후 연구를 위한 프록시로 널리 이용될 수 있다. 한반도의 남서쪽에 위치한 제주도는 투과성이 높은 대수층으로 직접 침투한 강수가 지하수의 주요 공급원이다. 본 연구에서는 수문학과 고기후 연구를 위한 강우안정동위원소의 장기간 특성을 규명하기 위해 제주도의 시공간적 패턴을 설명하였다. 2000년 9월부터 2003년 12월까지 총 15개 지점에서 강수를 채취하였고, 한국기초과학연구원에서 동위원소 질량분석기를 이용하여 분석하였다. 제주도 강우동위원소에 대한 선행연구들과 비교하면, 두 지역순환수선이 기존과 다른 값을 나타내며, 이는 강수가 지하수에 충진되는 계절의 상대적인 기여도가 변화했다는 것을 의미한다. 강우 동위원소의 값은 강수량과 음의 상관관계가 잘 나타나지만, 온도와는 상관이 거의 나타나지 않는다. 수소와 산소 동위원소의 월 평균값은 사인형태(수소의 R^2=0.63, 산소의 R^2=0.40)의 약한 주기성을 나타내고 중수소과잉값(d = δD-8×δ^18O)은 이차함수 형태(R^2=0.97)의 강한 주기적 패턴을 나타내며, 이는 기단의 계절적 변화와 밀접한 관련이 있다. 지하수의 소스를 밝히는데 실마리가 될 수 있는 강우동위원소의 고도효과는 제주도의 사측면에서 각각 다르게 나타났다. 산소의 경우 동쪽과 서쪽에서는 100m당 -0.14‰, 북쪽은 -0.18‰, 남쪽은 -0.085‰의 감률을 보인다. 본 연구에서의 강우동위원소에 대한 분석이 고기후 복원을 위한 기회와 제한을 제공하는데 도움이 될 것이다.