Abstract. Accurate assessment of anthropogenic carbon dioxide (CO2) emissions and their redistribution among the atmosphere, ocean, and terrestrial biosphere in a changing climate – the “global carbon budget” – is important to better understand the global carbon cycle, support the development of climate policies, and project future climate change. Here we describe and synthesize data sets and methodology to quantify the five major components of the global carbon budget and their uncertainties. Fossil CO2 emissions (EFOS) are based on energy statistics and cement production data, while emissions from land-use change (ELUC), mainly deforestation, are based on land use and land-use change data and bookkeeping models. Atmospheric CO2 concentration is measured directly and its growth rate (GATM) is computed from the annual changes in concentration. The ocean CO2 sink (SOCEAN) and terrestrial CO2 sink (SLAND) are estimated with global process models constrained by observations. The resulting carbon budget imbalance (BIM), the difference between the estimated total emissions and the estimated changes in the atmosphere, ocean, and terrestrial biosphere, is a measure of imperfect data and understanding of the contemporary carbon cycle. All uncertainties are reported as ±1σ. For the last decade available (2010–2019), EFOS was 9.6 ± 0.5 GtC yr−1 excluding the cement carbonation sink (9.4 ± 0.5 GtC yr−1 when the cement carbonation sink is included), and ELUC was 1.6 ± 0.7 GtC yr−1. For the same decade, GATM was 5.1 ± 0.02 GtC yr−1 (2.4 ± 0.01 ppm yr−1), SOCEAN 2.5 ± 0.6 GtC yr−1, and SLAND 3.4 ± 0.9 GtC yr−1, with a budget imbalance BIM of −0.1 GtC yr−1 indicating a near balance between estimated sources and sinks over the last decade. For the year 2019 alone, the growth in EFOS was only about 0.1 % with fossil emissions increasing to 9.9 ± 0.5 GtC yr−1 excluding the cement carbonation sink (9.7 ± 0.5 GtC yr−1 when cement carbonation sink is included), and ELUC was 1.8 ± 0.7 GtC yr−1, for total anthropogenic CO2 emissions of 11.5 ± 0.9 GtC yr−1 (42.2 ± 3.3 GtCO2). Also for 2019, GATM was 5.4 ± 0.2 GtC yr−1 (2.5 ± 0.1 ppm yr−1), SOCEAN was 2.6 ± 0.6 GtC yr−1, and SLAND was 3.1 ± 1.2 GtC yr−1, with a BIM of 0.3 GtC. The global atmospheric CO2 concentration reached 409.85 ± 0.1 ppm averaged over 2019. Preliminary data for 2020, accounting for the COVID-19-induced changes in emissions, suggest a decrease in EFOS relative to 2019 of about −7 % (median estimate) based on individual estimates from four studies of −6 %, −7 %, −7 % (−3 % to −11 %), and −13 %. Overall, the mean and trend in the components of the global carbon budget are consistently estimated over the period 1959–2019, but discrepancies of up to 1 GtC yr−1 persist for the representation of semi-decadal variability in CO2 fluxes. Comparison of estimates from diverse approaches and observations shows (1) no consensus in the mean and trend in land-use change emissions over the last decade, (2) a persistent low agreement between the different methods on the magnitude of the land CO2 flux in the northern extra-tropics, and (3) an apparent discrepancy between the different methods for the ocean sink outside the tropics, particularly in the Southern Ocean. This living data update documents changes in the methods and data sets used in this new global carbon budget and the progress in understanding of the global carbon cycle compared with previous publications of this data set (Friedlingstein et al., 2019; Le Quéré et al., 2018b, a, 2016, 2015b, a, 2014, 2013). The data presented in this work are available at https://doi.org/10.18160/gcp-2020 (Friedlingstein et al., 2020).

Abstract. Accurate assessment of anthropogenic carbon dioxide (CO2) emissions and their redistribution among the atmosphere, ocean, and terrestrial biosphere – the “global carbon budget” – is important to better understand the global carbon cycle, support the development of climate policies, and project future climate change. Here we describe data sets and methodology to quantify the five major components of the global carbon budget and their uncertainties. Fossil CO2 emissions (EFF) are based on energy statistics and cement production data, while emissions from land use change (ELUC), mainly deforestation, are based on land use and land use change data and bookkeeping models. Atmospheric CO2 concentration is measured directly and its growth rate (GATM) is computed from the annual changes in concentration. The ocean CO2 sink (SOCEAN) and terrestrial CO2 sink (SLAND) are estimated with global process models constrained by observations. The resulting carbon budget imbalance (BIM), the difference between the estimated total emissions and the estimated changes in the atmosphere, ocean, and terrestrial biosphere, is a measure of imperfect data and understanding of the contemporary carbon cycle. All uncertainties are reported as ±1σ. For the last decade available (2009–2018), EFF was 9.5±0.5 GtC yr−1, ELUC 1.5±0.7 GtC yr−1, GATM 4.9±0.02 GtC yr−1 (2.3±0.01 ppm yr−1), SOCEAN 2.5±0.6 GtC yr−1, and SLAND 3.2±0.6 GtC yr−1, with a budget imbalance BIM of 0.4 GtC yr−1 indicating overestimated emissions and/or underestimated sinks. For the year 2018 alone, the growth in EFF was about 2.1 % and fossil emissions increased to 10.0±0.5 GtC yr−1, reaching 10 GtC yr−1 for the first time in history, ELUC was 1.5±0.7 GtC yr−1, for total anthropogenic CO2 emissions of 11.5±0.9 GtC yr−1 (42.5±3.3 GtCO2). Also for 2018, GATM was 5.1±0.2 GtC yr−1 (2.4±0.1 ppm yr−1), SOCEAN was 2.6±0.6 GtC yr−1, and SLAND was 3.5±0.7 GtC yr−1, with a BIM of 0.3 GtC. The global atmospheric CO2 concentration reached 407.38±0.1 ppm averaged over 2018. For 2019, preliminary data for the first 6–10 months indicate a reduced growth in EFF of +0.6 % (range of −0.2 % to 1.5 %) based on national emissions projections for China, the USA, the EU, and India and projections of gross domestic product corrected for recent changes in the carbon intensity of the economy for the rest of the world. Overall, the mean and trend in the five components of the global carbon budget are consistently estimated over the period 1959–2018, but discrepancies of up to 1 GtC yr−1 persist for the representation of semi-decadal variability in CO2 fluxes. A detailed comparison among individual estimates and the introduction of a broad range of observations shows (1) no consensus in the mean and trend in land use change emissions over the last decade, (2) a persistent low agreement between the different methods on the magnitude of the land CO2 flux in the northern extra-tropics, and (3) an apparent underestimation of the CO2 variability by ocean models outside the tropics. This living data update documents changes in the methods and data sets used in this new global carbon budget and the progress in understanding of the global carbon cycle compared with previous publications of this data set (Le Quéré et al., 2018a, b, 2016, 2015a, b, 2014, 2013). The data generated by this work are available at https://doi.org/10.18160/gcp-2019 (Friedlingstein et al., 2019).

Abstract. Accurate assessment of anthropogenic carbon dioxide (CO2) emissions and their redistribution among the atmosphere, ocean, and terrestrial biosphere – the “global carbon budget” – is important to better understand the global carbon cycle, support the development of climate policies, and project future climate change. Here we describe data sets and methodology to quantify the five major components of the global carbon budget and their uncertainties. Fossil CO2 emissions (EFF) are based on energy statistics and cement production data, while emissions from land use and land-use change (ELUC), mainly deforestation, are based on land use and land-use change data and bookkeeping models. Atmospheric CO2 concentration is measured directly and its growth rate (GATM) is computed from the annual changes in concentration. The ocean CO2 sink (SOCEAN) and terrestrial CO2 sink (SLAND) are estimated with global process models constrained by observations. The resulting carbon budget imbalance (BIM), the difference between the estimated total emissions and the estimated changes in the atmosphere, ocean, and terrestrial biosphere, is a measure of imperfect data and understanding of the contemporary carbon cycle. All uncertainties are reported as ±1σ. For the last decade available (2008–2017), EFF was 9.4±0.5 GtC yr−1, ELUC 1.5±0.7 GtC yr−1, GATM 4.7±0.02 GtC yr−1, SOCEAN 2.4±0.5 GtC yr−1, and SLAND 3.2±0.8 GtC yr−1, with a budget imbalance BIM of 0.5 GtC yr−1 indicating overestimated emissions and/or underestimated sinks. For the year 2017 alone, the growth in EFF was about 1.6 % and emissions increased to 9.9±0.5 GtC yr−1. Also for 2017, ELUC was 1.4±0.7 GtC yr−1, GATM was 4.6±0.2 GtC yr−1, SOCEAN was 2.5±0.5 GtC yr−1, and SLAND was 3.8±0.8 GtC yr−1, with a BIM of 0.3 GtC. The global atmospheric CO2 concentration reached 405.0±0.1 ppm averaged over 2017. For 2018, preliminary data for the first 6–9 months indicate a renewed growth in EFF of +2.7 % (range of 1.8 % to 3.7 %) based on national emission projections for China, the US, the EU, and India and projections of gross domestic product corrected for recent changes in the carbon intensity of the economy for the rest of the world. The analysis presented here shows that the mean and trend in the five components of the global carbon budget are consistently estimated over the period of 1959–2017, but discrepancies of up to 1 GtC yr−1 persist for the representation of semi-decadal variability in CO2 fluxes. A detailed comparison among individual estimates and the introduction of a broad range of observations show (1) no consensus in the mean and trend in land-use change emissions, (2) a persistent low agreement among the different methods on the magnitude of the land CO2 flux in the northern extra-tropics, and (3) an apparent underestimation of the CO2 variability by ocean models, originating outside the tropics. This living data update documents changes in the methods and data sets used in this new global carbon budget and the progress in understanding the global carbon cycle compared with previous publications of this data set (Le Quéré et al., 2018, 2016, 2015a, b, 2014, 2013). All results presented here can be downloaded from https://doi.org/10.18160/GCP-2018.

Abstract. Accurate assessment of anthropogenic carbon dioxide (CO2) emissions and their redistribution among the atmosphere, ocean, and terrestrial biosphere – the “global carbon budget” – is important to better understand the global carbon cycle, support the development of climate policies, and project future climate change. Here we describe data sets and methodology to quantify all major components of the global carbon budget, including their uncertainties, based on the combination of a range of data, algorithms, statistics, and model estimates and their interpretation by a broad scientific community. We discuss changes compared to previous estimates and consistency within and among components, alongside methodology and data limitations. CO2 emissions from fossil fuels and industry (EFF) are based on energy statistics and cement production data, respectively, while emissions from land-use change (ELUC), mainly deforestation, are based on combined evidence from land-cover change data, fire activity associated with deforestation, and models. The global atmospheric CO2 concentration is measured directly and its rate of growth (GATM) is computed from the annual changes in concentration. The mean ocean CO2 sink (SOCEAN) is based on observations from the 1990s, while the annual anomalies and trends are estimated with ocean models. The variability in SOCEAN is evaluated with data products based on surveys of ocean CO2 measurements. The global residual terrestrial CO2 sink (SLAND) is estimated by the difference of the other terms of the global carbon budget and compared to results of independent dynamic global vegetation models. We compare the mean land and ocean fluxes and their variability to estimates from three atmospheric inverse methods for three broad latitude bands. All uncertainties are reported as ±1σ, reflecting the current capacity to characterise the annual estimates of each component of the global carbon budget. For the last decade available (2006–2015), EFF was 9.3 ± 0.5 GtC yr−1, ELUC 1.0 ± 0.5 GtC yr−1, GATM 4.5 ± 0.1 GtC yr−1, SOCEAN 2.6 ± 0.5 GtC yr−1, and SLAND 3.1 ± 0.9 GtC yr−1. For year 2015 alone, the growth in EFF was approximately zero and emissions remained at 9.9 ± 0.5 GtC yr−1, showing a slowdown in growth of these emissions compared to the average growth of 1.8 % yr−1 that took place during 2006–2015. Also, for 2015, ELUC was 1.3 ± 0.5 GtC yr−1, GATM was 6.3 ± 0.2 GtC yr−1, SOCEAN was 3.0 ± 0.5 GtC yr−1, and SLAND was 1.9 ± 0.9 GtC yr−1. GATM was higher in 2015 compared to the past decade (2006–2015), reflecting a smaller SLAND for that year. The global atmospheric CO2 concentration reached 399.4 ± 0.1 ppm averaged over 2015. For 2016, preliminary data indicate the continuation of low growth in EFF with +0.2 % (range of −1.0 to +1.8 %) based on national emissions projections for China and USA, and projections of gross domestic product corrected for recent changes in the carbon intensity of the economy for the rest of the world. In spite of the low growth of EFF in 2016, the growth rate in atmospheric CO2 concentration is expected to be relatively high because of the persistence of the smaller residual terrestrial sink (SLAND) in response to El Niño conditions of 2015–2016. From this projection of EFF and assumed constant ELUC for 2016, cumulative emissions of CO2 will reach 565 ± 55 GtC (2075 ± 205 GtCO2) for 1870–2016, about 75 % from EFF and 25 % from ELUC. This living data update documents changes in the methods and data sets used in this new carbon budget compared with previous publications of this data set (Le Quéré et al., 2015b, a, 2014, 2013). All observations presented here can be downloaded from the Carbon Dioxide Information Analysis Center (doi:10.3334/CDIAC/GCP_2016).

Although the existence of a large carbon sink in terrestrial ecosystems is well-established, the drivers of this sink remain uncertain. It has been suggested that perturbations to forest demography caused by past land-use change, management, and natural disturbances may be causing a large component of current carbon uptake. Here we use a global compilation of forest age observations, combined with a terrestrial biosphere model with explicit modeling of forest regrowth, to partition the global forest carbon sink between old-growth and regrowth stands over the period 1981-2010. For 2001-2010 we find a carbon sink of 0.85 (0.66-0.96) Pg year-1 located in intact old-growth forest, primarily in the moist tropics and boreal Siberia, and 1.30 (1.03-1.96) Pg year-1 located in stands regrowing after past disturbance. Approaching half of the sink in regrowth stands would have occurred from demographic changes alone, in the absence of other environmental changes. These age-constrained results show consistency with those simulated using an ensemble of demographically-enabled terrestrial biosphere models following an independent reconstruction of historical land use and management. We estimate that forests will accumulate an additional 69 (44-131) Pg C in live biomass from changes in demography alone if natural disturbances, wood harvest, and reforestation continue at rates comparable to those during 1981-2010. Our results confirm that it is not possible to understand the current global terrestrial carbon sink without accounting for the sizeable sink due to forest demography. They also imply that a large portion of the current terrestrial carbon sink is strictly transient in nature.

Abstract. FLUXNET comprises globally distributed eddy-covariance-based estimates of carbon fluxes between the biosphere and the atmosphere. Since eddy covariance flux towers have a relatively small footprint and are distributed unevenly across the world, upscaling the observations is necessary to obtain global-scale estimates of biosphere–atmosphere exchange. Based on cross-consistency checks with atmospheric inversions, sun-induced fluorescence (SIF) and dynamic global vegetation models (DGVMs), here we provide a systematic assessment of the latest upscaling efforts for gross primary production (GPP) and net ecosystem exchange (NEE) of the FLUXCOM initiative, where different machine learning methods, forcing data sets and sets of predictor variables were employed. Spatial patterns of mean GPP are consistent across FLUXCOM and DGVM ensembles (R2>0.94 at 1∘ spatial resolution) while the majority of DGVMs show, for 70 % of the land surface, values outside the FLUXCOM range. Global mean GPP magnitudes for 2008–2010 from FLUXCOM members vary within 106 and 130 PgC yr−1 with the largest uncertainty in the tropics. Seasonal variations in independent SIF estimates agree better with FLUXCOM GPP (mean global pixel-wise R2∼0.75) than with GPP from DGVMs (mean global pixel-wise R2∼0.6). Seasonal variations in FLUXCOM NEE show good consistency with atmospheric inversion-based net land carbon fluxes, particularly for temperate and boreal regions (R2>0.92). Interannual variability of global NEE in FLUXCOM is underestimated compared to inversions and DGVMs. The FLUXCOM version which also uses meteorological inputs shows a strong co-variation in interannual patterns with inversions (R2=0.87 for 2001–2010). Mean regional NEE from FLUXCOM shows larger uptake than inversion and DGVM-based estimates, particularly in the tropics with discrepancies of up to several hundred grammes of carbon per square metre per year. These discrepancies can only partly be reconciled by carbon loss pathways that are implicit in inversions but not captured by the flux tower measurements such as carbon emissions from fires and water bodies. We hypothesize that a combination of systematic biases in the underlying eddy covariance data, in particular in tall tropical forests, and a lack of site history effects on NEE in FLUXCOM are likely responsible for the too strong tropical carbon sink estimated by FLUXCOM. Furthermore, as FLUXCOM does not account for CO2 fertilization effects, carbon flux trends are not realistic. Overall, current FLUXCOM estimates of mean annual and seasonal cycles of GPP as well as seasonal NEE variations provide useful constraints of global carbon cycling, while interannual variability patterns from FLUXCOM are valuable but require cautious interpretation. Exploring the diversity of Earth observation data and of machine learning concepts along with improved quality and quantity of flux tower measurements will facilitate further improvements of the FLUXCOM approach overall.

A decline in the carbon fertilization effect One source of uncertainty in climate science is how the carbon fertilization effect (CFE) will contribute to mitigation of anthropogenic climate change. Wang et al. explored the temporal dynamics of CFE on vegetation photosynthesis at the global scale. There has been a decline over recent decades in the contribution of CFE to vegetation photosynthesis, perhaps owing to the limiting effects of plant nutrients such as nitrogen and phosphorus. This declining trend has not been adequately accounted for in carbon cycle models. CFE thus has limitations for long-term mitigation of climate change, and future warming might currently be underestimated. Science , this issue p. 1295

Ecosystems responded asymmetrically to the 2018 European drought.

Abstract Fire activity in Australia is strongly affected by high inter-annual climate variability and extremes. Through changes in the climate, anthropogenic climate change has the potential to alter fire dynamics. Here we compile satellite (19 and 32 years) and ground-based (90 years) burned area datasets, climate and weather observations, and simulated fuel loads for Australian forests. Burned area in Australia’s forests shows a linear positive annual trend but an exponential increase during autumn and winter. The mean number of years since the last fire has decreased consecutively in each of the past four decades, while the frequency of forest megafire years (>1 Mha burned) has markedly increased since 2000. The increase in forest burned area is consistent with increasingly more dangerous fire weather conditions, increased risk factors associated with pyroconvection, including fire-generated thunderstorms, and increased ignitions from dry lightning, all associated to varying degrees with anthropogenic climate change.

Climate change is shifting the phenological cycles of plants1, thereby altering the functioning of ecosystems, which in turn induces feedbacks to the climate system2. In northern (north of 30° N) ecosystems, warmer springs lead generally to an earlier onset of the growing season3,4 and increased ecosystem productivity early in the season5. In situ6 and regional7–9 studies also provide evidence for lagged effects of spring warmth on plant productivity during the subsequent summer and autumn. However, our current understanding of these lagged effects, including their direction (beneficial or adverse) and geographic distribution, is still very limited. Here we analyse satellite, field-based and modelled data for the period 1982–2011 and show that there are widespread and contrasting lagged productivity responses to spring warmth across northern ecosystems. On the basis of the observational data, we find that roughly 15 per cent of the total study area of about 41 million square kilometres exhibits adverse lagged effects and that roughly 5 per cent of the total study area exhibits beneficial lagged effects. By contrast, current-generation terrestrial carbon-cycle models predict much lower areal fractions of adverse lagged effects (ranging from 1 to 14 per cent) and much higher areal fractions of beneficial lagged effects (ranging from 9 to 54 per cent). We find that elevation and seasonal precipitation patterns largely dictate the geographic pattern and direction of the lagged effects. Inadequate consideration in current models of the effects of the seasonal build-up of water stress on seasonal vegetation growth may therefore be able to explain the differences that we found between our observation-constrained estimates and the model-constrained estimates of lagged effects associated with spring warming. Overall, our results suggest that for many northern ecosystems the benefits of warmer springs on growing-season ecosystem productivity are effectively compensated for by the accumulation of seasonal water deficits, despite the fact that northern ecosystems are thought to be largely temperature- and radiation-limited10. Widespread but contrasting delayed responses of ecosystem productivity to spring warmth across northern ecosystems is inferred from satellite data, with higher areal fractions of adverse effects than beneficial effects.