# name
Influence of the Quasi-Biennial Oscillation on the tropical troposphere at interannual timescales

# metadata.dc.contributor.other[].value
Universitat de Barcelona. Facultat de Física

# metadata.dc.description.abstract[].value
[eng] The Quasi-Biennial Oscillation (QBO), an atmospheric phenomenon characterized by alternating westerly and easterly winds that descend through the equatorial stratosphere, is the dominant mode of tropical stratospheric variability. Several studies have explored its connection with the extratropical stratosphere and the troposphere, including its connection to El Niño-Southern Oscillation (ENSO), the main driver of interannual variability in the tropical troposphere. While it is accepted that ENSO exerts an upward impact on the QBO, manifested through changes in the QBO amplitude, period and downward propagation rate, the potential downward influence of the QBO on the tropical troposphere, and on ENSO in particular, has received less attention. Clarifying this downward influence is a difficult scientific problem because the QBO signal in the troposphere is modest and often masked by the much stronger variability associated with ENSO and other variability modes. Moreover, isolating the QBO influence requires long records and/or specifically designed model experiments to separate its effects from those of concurrent variability.
This thesis examines the downward impact of the QBO on tropical convection and large-scale circulation on interannual timescales, using reanalyses and a hierarchy of climate model experiments, principally the European Consortium Earth system model (EC-EARTH). As a preliminary step, the performance of EC-EARTH in simulating the stratospheric circulation and the main features of the QBO was assessed, to provide the necessary validation for the subsequent analyses. Overall, the QBO in EC-EARTH is realistic, although its amplitude is underestimated in the lower stratosphere.
Reanalysis data and coupled simulations with EC-EARTH were analyzed to examine the QBO-induced changes in the tropical circulation under climatological conditions and during El Niño events. Results show that the QBO affects upper-tropospheric divergence over the Maritime Continent, resulting in reduced outflow during the westerly phase as compared to the easterly phase. Furthermore, during El Niño events, which are characterized by a weakened zonal overturning circulation, i.e. the Walker cell, the QBO signal extends downward into the troposphere and influences El Niño evolution. The westerly QBO phase acts to further suppress summer tropical convection over the Maritime Continent and the western Pacific, thereby accentuating the weakening of the Walker circulation during El Niño. These results highlight the importance of considering the QBO for improving El Niño prediction and projection, especially for extreme events known as super El Niños.
While results from that first study reveal a QBO influence, they also show that disentangling the QBO teleconnections in the tropical troposphere from the dominant influence of ENSO is challenging. To better isolate the QBO signal, an atmosphere-only experiment with climatological boundary conditions was then analyzed and treated as an ENSO-neutral state. This part of the thesis focused on identifying QBO-induced changes in temperature and zonal wind in the upper troposphere-lower stratosphere (UTLS) and their subsequent impact on static stability, wind shear and relative vorticity. The results confirm that the QBO effectively modifies vertical velocity and precipitation over the Maritime Continent region, but further show that the QBO affects both the Walker circulation and, more notably, the Hadley circulation. These impacts are highly seasonally-dependent, being strongest in summer. The vertical structure of the QBO signal in the UTLS is found to be zonally asymmetric, with anomalies descending into the upper troposphere only over the Indo-Pacific region. The timing of the QBO influence on tropical convection and precipitation is primarily due to the QBO-induced changes in static stability, which descend into the UTLS earlier than those in wind shear and vorticity.
To assess how ENSO modulates the QBO teleconnection to the troposphere, two additional atmosphere-only experiments with perpetual El Niño and La Niña conditions were analysed, complementing the ENSO-neutral experiment. Results confirm that the QBO affects summer tropical convection even under a strong oceanic forcing such as ENSO, but its influence depends on the position of convection. During La Niña, when convection remains close to its climatological position but intensifies, the QBO signal closely resembles that in ENSO-neutral conditions, with the westerly QBO phase reducing summer convection north of the equator over the Maritime Continent. Instead, during El Niño, when convection shifts equatorward over the Indian-Pacific region, the QBO-related reduction in convection likewise shifts equatorward. ENSO also affects the QBO period and downward propagation rate, with a longer period and slower descent occurring under La Niña conditions, and a shorter period and faster descent under El Niño conditions. The latter causes the QBO phase to transition more quickly during El Niño, leading to a reversal of its impact on tropical convection from early to late summer: in early summer, anomalous descent dominates over the Maritime Continent, whereas anomalous ascent prevails in late summer over the western tropical Pacific.
The results based on EC-EARTH thus suggest that ENSO modulates the QBO teleconnection in the tropical troposphere through changes in the position of convection and the QBO period/downward-phase propagation. In the last part of the thesis, the robustness of these results was evaluated using the multi-model ensemble from the QBO initiative (QBOi) of Atmospheric Processes And their Role in Climate (APARC). Most QBOi models reproduce similar patterns in the three experiments—ENSO-neutral, El Niño, and La Niña—though the lower-tropospheric signal is generally underestimated. The QBO impact on the tropical circulation is spatially robust across models, but its timing varies, ranging from May to November.

# metadata.dc.description.abstract[].value
[cat] La Quasi-Biennial Oscillation (QBO), una oscil·lació atmosfèrica del vent zonal que descendeix a través de l’estratosfera equatorial, constitueix el mode dominant de variabilitat en aquesta regió. Diversos estudis han explorat la seva connexió amb l’estratosfera extratropical i amb la troposfera, inclosa la seva relació amb El Niño-Southern Oscillation (ENSO), el principal mode de variabilitat interanual a la troposfera tropical. Tot i que és conegut que ENSO exerceix un impacte ascendent sobre la QBO, manifestat en canvis en l'amplitud, el període i la velocitat de propagació descendent de les seves fases, la possible influència descendent de la QBO sobre la troposfera tropical, i sobre ENSO en particular, ha rebut menys atenció. Aclarir aquesta influència descendent és un problema científic complex, ja que el senyal de la QBO a la troposfera és modest i sovint queda emmascarat per la variabilitat molt més intensa associada a ENSO i a altres modes de variabilitat. A més, aïllar la influència de la QBO requereix registres de dades llargs i/o experiments amb models climàtics específicament dissenyats per separar els seus efectes de les altres fonts de variabilitat.
Aquesta tesi investiga l’impacte de la QBO sobre la convecció tropical i la circulació de gran escala a escales de temps interanuals, mitjançant reanàlisis i una jerarquia d’experiments amb models climàtics, principalment el model del Consorci Europeu EC-EARTH. Com a pas preliminar, es va avaluar la simulació de la circulació estratosfèrica i de les principals característiques de la QBO a EC-EARTH, proporcionant així la validació necessària per a poder realitzar els estudis posteriors. En general, la QBO a EC-EARTH és realista, tot i que la seva amplitud està subestimada a la baixa estratosfera.
En primer lloc, es van analitzar les dades de reanàlisis i de simulacions acoblades amb EC-EARTH, que simulen tant l'atmosfera com l'oceà, per examinar els canvis induïts per la QBO en la circulació tropical sota condicions climatològiques i també durant episodis d'El Niño. Els resultats mostren que la QBO pot modificar la circulació divergent a l'alta troposfera sobre el Continent Marítim, provocant una reducció de la divergència durant la fase de vents de l’oest en comparació amb la fase de l'est. A més, durant els episodis d'El Niño, caracteritzats per un afebliment de la circulació zonal o circulació de Walker, el senyal de la QBO s'estén cap a la troposfera i pot influir en l'evolució d'El Niño. La fase de vents de l’oest de la QBO tendeix a suprimir encara més la convecció tropical d'estiu sobre el Continent Marítim i el Pacífic occidental, reforçant així l’afebliment de la circulació de Walker durant El Niño. Aquests resultats posen de manifest la importància de considerar la fase de la QBO per millorar la predicció i projecció d’El Niño, especialment en el cas dels esdeveniments més extrems coneguts com a super El Niños.
Tot i que els resultats d'aquest primer estudi revelen una influència de la QBO, també mostren que separar el senyal de la QBO a la troposfera tropical de la influència dominant d'ENSO és una tasca complexa. Per tal d'aïllar millor el senyal de la QBO, es va analitzar primer un experiment amb EC-EARTH sota condicions oceàniques climatològiques constants, anomenat experiment d'ENSO-neutral. Aquesta part de la tesi se centra en identificar els canvis induïts per la QBO en la temperatura i el vent zonal a la part superior de la troposfera i inferior de l’estratosfera (UTLS, upper troposphere-lower stratosphere) i en els canvis resultants sobre l’estabilitat estàtica, la cisalla vertical del vent zonal i la vorticitat relativa. Els resultats confirmen que la QBO modifica la velocitat vertical i la precipitació a la regió del Continent Marítim, però també mostren que la QBO afecta tant la circulació zonal de Walker com, de manera més notable, la circulació meridional de Hadley. Aquests impactes presenten una forta dependència estacional, amb efectes més intensos a l’estiu boreal. L'estructura vertical del senyal de la QBO a la UTLS és zonalment asimètrica, amb anomalies que descendeixen cap a la troposfera només sobre la regió de l'Indo-Pacífic. El moment en què la QBO influencia la convecció tropical està principalment relacionat amb els canvis en l'estabilitat estàtica, que descendeixen cap a la UTLS abans que les anomalies de cisalla vertical del vent i de vorticitat relativa.
Per avaluar com ENSO modula la teleconnexió de la QBO amb la troposfera tropical, es van analitzar dos experiments addicionals sota condicions oceàniques constants d'El Niño i La Niña, complementant així l'experiment ENSO-neutral. Els resultats confirmen que la QBO afecta la convecció tropical d'estiu fins i tot sota un forçament oceànic intens com és ENSO, però la seva influència depèn de la posició de la convecció. Durant La Niña, quan la convecció es manté propera a la seva posició climatològica però s'intensifica, el senyal de la QBO s’assembla molt al que es dona sota condicions neutres, amb una reducció de la convecció estival al nord de l'equador sobre el continent Marítim durant la fase de vents de l'oest. En canvi, durant El Niño, quan la convecció es deplaça cap a l'equador sobre la regió Indo-Pacífica, la reducció de la convecció associada a la QBO es desplaça igualment cap a l’equador. ENSO també afecta el període i la velocitat de propagació descendent de la QBO, amb un període més llarg i un descens més lent durant La Niña, i un període més curt i un descens més ràpid durant El Niño. Aquest període més curt i el descens més ràpid durant El Niño fan que la fase de la QBO canviï més ràpidament, provocant així un canvi en l'impacte de la QBO sobre la convecció tropical entre l'inici i el final de l’estiu: a l'inici de l'estiu predominen anomalies descendents sobre el Continent Marítim, mentre que a finals d'estiu dominen anomalies ascendents sobre el Pacífic occidental al nord de l'equador.
Els resultats basats en EC-EARTH suggereixen, per tant, que ENSO pot modular la teleconnexió de la QBO a la troposfera tropical mitjançant canvis en la posició de la convecció, el període de la QBO i la propagació descendent de les seves fases. A la darrera part de la tesi, es va avaluar la robustesa d’aquests resultats utilitzant altres models del projecte internacional QBOi (QBO initiative). La majoria dels models de QBOi reprodueixen patrons semblants en els tres experiments—ENSO-neutral, El Niño i La Niña—, tot i que alguns models subestimen el senyal de la QBO a la baixa troposfera. Aquest impacte de la QBO en la circulació tropical és espacialment robust entre els diferents models, però el seu moment d'aparició varia, des de maig fins a novembre.

# metadata.dc.rights[].value
cc by-nc (c) Rodrigo Sánchez, Mario, 2026

# metadata.dc.title[].value
Influence of the Quasi-Biennial Oscillation on the tropical troposphere at interannual timescales