Abstract. Understanding and quantifying the global methane (CH4) budget is important for assessing realistic pathways to mitigate climate change. Atmospheric emissions and concentrations of CH4 continue to increase, making CH4 the second most important human-influenced greenhouse gas in terms of climate forcing, after carbon dioxide (CO2). The relative importance of CH4 compared to CO2 depends on its shorter atmospheric lifetime, stronger warming potential, and variations in atmospheric growth rate over the past decade, the causes of which are still debated. Two major challenges in reducing uncertainties in the atmospheric growth rate arise from the variety of geographically overlapping CH4 sources and from the destruction of CH4 by short-lived hydroxyl radicals (OH). To address these challenges, we have established a consortium of multidisciplinary scientists under the umbrella of the Global Carbon Project to synthesize and stimulate new research aimed at improving and regularly updating the global methane budget. Following Saunois et al. (2016), we present here the second version of the living review paper dedicated to the decadal methane budget, integrating results of top-down studies (atmospheric observations within an atmospheric inverse-modelling framework) and bottom-up estimates (including process-based models for estimating land surface emissions and atmospheric chemistry, inventories of anthropogenic emissions, and data-driven extrapolations). For the 2008–2017 decade, global methane emissions are estimated by atmospheric inversions (a top-down approach) to be 576 Tg CH4 yr−1 (range 550–594, corresponding to the minimum and maximum estimates of the model ensemble). Of this total, 359 Tg CH4 yr−1 or ∼ 60 % is attributed to anthropogenic sources, that is emissions caused by direct human activity (i.e. anthropogenic emissions; range 336–376 Tg CH4 yr−1 or 50 %–65 %). The mean annual total emission for the new decade (2008–2017) is 29 Tg CH4 yr−1 larger than our estimate for the previous decade (2000–2009), and 24 Tg CH4 yr−1 larger than the one reported in the previous budget for 2003–2012 (Saunois et al., 2016). Since 2012, global CH4 emissions have been tracking the warmest scenarios assessed by the Intergovernmental Panel on Climate Change. Bottom-up methods suggest almost 30 % larger global emissions (737 Tg CH4 yr−1, range 594–881) than top-down inversion methods. Indeed, bottom-up estimates for natural sources such as natural wetlands, other inland water systems, and geological sources are higher than top-down estimates. The atmospheric constraints on the top-down budget suggest that at least some of these bottom-up emissions are overestimated. The latitudinal distribution of atmospheric observation-based emissions indicates a predominance of tropical emissions (∼ 65 % of the global budget, < 30∘ N) compared to mid-latitudes (∼ 30 %, 30–60∘ N) and high northern latitudes (∼ 4 %, 60–90∘ N). The most important source of uncertainty in the methane budget is attributable to natural emissions, especially those from wetlands and other inland waters. Some of our global source estimates are smaller than those in previously published budgets (Saunois et al., 2016; Kirschke et al., 2013). In particular wetland emissions are about 35 Tg CH4 yr−1 lower due to improved partition wetlands and other inland waters. Emissions from geological sources and wild animals are also found to be smaller by 7 Tg CH4 yr−1 by 8 Tg CH4 yr−1, respectively. However, the overall discrepancy between bottom-up and top-down estimates has been reduced by only 5 % compared to Saunois et al. (2016), due to a higher estimate of emissions from inland waters, highlighting the need for more detailed research on emissions factors. Priorities for improving the methane budget include (i) a global, high-resolution map of water-saturated soils and inundated areas emitting methane based on a robust classification of different types of emitting habitats; (ii) further development of process-based models for inland-water emissions; (iii) intensification of methane observations at local scales (e.g., FLUXNET-CH4 measurements) and urban-scale monitoring to constrain bottom-up land surface models, and at regional scales (surface networks and satellites) to constrain atmospheric inversions; (iv) improvements of transport models and the representation of photochemical sinks in top-down inversions; and (v) development of a 3D variational inversion system using isotopic and/or co-emitted species such as ethane to improve source partitioning. The data presented here can be downloaded from https://doi.org/10.18160/GCP-CH4-2019 (Saunois et al., 2020) and from the Global Carbon Project.

Atmospheric methane is a potent greenhouse gas that plays a major role in controlling the Earth’s climate. The causes of the renewed increase of methane concentration since 2007 are uncertain given the multiple sources and complex biogeochemistry. Here, we present a metadata analysis of methane fluxes from all major natural, impacted and human-made aquatic ecosystems. Our revised bottom-up global aquatic methane emissions combine diffusive, ebullitive and/or plant-mediated fluxes from 15 aquatic ecosystems. We emphasize the high variability of methane fluxes within and between aquatic ecosystems and a positively skewed distribution of empirical data, making global estimates sensitive to statistical assumptions and sampling design. We find aquatic ecosystems contribute (median) 41% or (mean) 53% of total global methane emissions from anthropogenic and natural sources. We show that methane emissions increase from natural to impacted aquatic ecosystems and from coastal to freshwater ecosystems. We argue that aquatic emissions will probably increase due to urbanization, eutrophication and positive climate feedbacks and suggest changes in land-use management as potential mitigation strategies to reduce aquatic methane emissions. Methane emissions from aquatic systems contribute approximately half of global methane emissions, according to meta-analysis of natural, impacted and human-made aquatic ecosystems and indicating potential mitigation strategies to reduce emissions.

Water and sediment methane emissions have the potential to offset “blue carbon” burial in mangrove coastal ecosystems.

Abstract An accurate quantification of global methane sources and sinks is imperative for assessing realistic pathways to mitigate climate change. A key challenge of quantifying the Global Methane Budget (Saunois et al., 2020, https://doi.org/10.5194/essd‐12‐1561‐2020 ) is the lack of consistency in uncertainties between sectors. Here we provide a new perspective on bottom‐up (BU) and top‐down (TD) methane uncertainties by using an expert opinion analysis based on a questionnaire conducted in 2021. Expectedly, experts rank highest uncertainty and lowest confidence levels in the Global Methane Budget related to natural sources in BU budgets. Here, we further reveal specific uncertainty types and introduce a ranking system for uncertainties in each sector. We find that natural source uncertainty is related particularly to driver data uncertainty in freshwater, vegetation, and coastal/ocean sources, as well as parameter uncertainty in wetland models. Reducing uncertainties, most notably in aquatic and wetland sources will help balance future BU and TD global methane budgets. We suggest a new methane source partitioning over gradients of human disturbance and demonstrate that 76.3% (75.8%–79.4%) or 561 (443–700) Tg CH 4 yr −1 of global emissions can be attributed to moderately impacted, man‐made, artificial, or fully anthropogenic sources and 23.7% (20.6%–24.2%) or 174 (115–223) Tg CH 4 yr −1 to natural and low impacted methane sources. Finally, we identify current research gaps and provide a plan of action to reduce current uncertainties in the Global Methane Budget.

Abstract. Nitrous oxide (N2O) is a long-lived potent greenhouse gas and stratospheric ozone-depleting substance that has been accumulating in the atmosphere since the preindustrial period. The mole fraction of atmospheric N2O has increased by nearly 25 % from 270 ppb (parts per billion) in 1750 to 336 ppb in 2022, with the fastest annual growth rate since 1980 of more than 1.3 ppb yr−1 in both 2020 and 2021. According to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC AR6), the relative contribution of N2O to the total enhanced effective radiative forcing of greenhouse gases was 6.4 % for 1750–2022. As a core component of our global greenhouse gas assessments coordinated by the Global Carbon Project (GCP), our global N2O budget incorporates both natural and anthropogenic sources and sinks and accounts for the interactions between nitrogen additions and the biogeochemical processes that control N2O emissions. We use bottom-up (BU: inventory, statistical extrapolation of flux measurements, and process-based land and ocean modeling) and top-down (TD: atmospheric measurement-based inversion) approaches. We provide a comprehensive quantification of global N2O sources and sinks in 21 natural and anthropogenic categories in 18 regions between 1980 and 2020. We estimate that total annual anthropogenic N2O emissions have increased 40 % (or 1.9 Tg N yr−1) in the past 4 decades (1980–2020). Direct agricultural emissions in 2020 (3.9 Tg N yr−1, best estimate) represent the large majority of anthropogenic emissions, followed by other direct anthropogenic sources, including fossil fuel and industry, waste and wastewater, and biomass burning (2.1 Tg N yr−1), and indirect anthropogenic sources (1.3 Tg N yr−1) . For the year 2020, our best estimate of total BU emissions for natural and anthropogenic sources was 18.5 (lower–upper bounds: 10.6–27.0) Tg N yr−1, close to our TD estimate of 17.0 (16.6–17.4) Tg N yr−1. For the 2010–2019 period, the annual BU decadal-average emissions for both natural and anthropogenic sources were 18.2 (10.6–25.9) Tg N yr−1 and TD emissions were 17.4 (15.8–19.20) Tg N yr−1. The once top emitter Europe has reduced its emissions by 31 % since the 1980s, while those of emerging economies have grown, making China the top emitter since the 2010s. The observed atmospheric N2O concentrations in recent years have exceeded projected levels under all scenarios in the Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6), underscoring the importance of reducing anthropogenic N2O emissions. To evaluate mitigation efforts and contribute to the Global Stocktake of the United Nations Framework Convention on Climate Change, we propose the establishment of a global network for monitoring and modeling N2O from the surface through to the stratosphere. The data presented in this work can be downloaded from https://doi.org/10.18160/RQ8P-2Z4R (Tian et al., 2023).

Abstract The BlueFlux field campaign is supported by NASA’s Carbon Monitoring System (CMS) and will develop prototype blue carbon products to inform coastal carbon management. Blue carbon is included in carbon-dioxide removal actions proposed to reduce atmospheric CO 2 concentrations to mitigate climate change. Due to their high productivity and carbon storage, combined with historic losses and a wide-range of beneficial ecosystem services, the restoration and conservation of mangrove ecosystems features prominently in blue-carbon planning. The goal of BlueFlux is to carry out multi-scale measurements of CO 2 and CH 4 fluxes using chambers, flux towers, and aircraft and scale these to gridded products using space-based observations of forest structure and surface reflectance. The measurements cover gradients in disturbance, mainly from the history of hurricanes in the region that drive the dieback of mangroves and the formation of ‘ghost forests’. The fluxes of CH 4 emissions will be contrasted with CO 2 uptake to provide a more complete budget of radiative forcing and to understand the net climate benefits of blue carbon. BlueFlux demonstrates that quantifying the removals of CO 2 and emissions of CH 4 using a multi-scale approach can provide increased confidence in regional greenhouse-gas accounting, contribute to process-understanding, and help inform restoration and conservation efforts in the context of climate mitigation.

Estuarine N2O emissions contribute to the atmospheric N2O budget, but little is known about estuary N2O fluxes under low dissolved inorganic nitrogen (DIN) conditions. We present high-resolution spatial surveys of N2O concentrations and water-air fluxes in three low-DIN (NO3− < 30 μmol L−1) tropical estuaries in Queensland, Australia (Johnstone River, Fitzroy River, Constant Creek) during consecutive wet and dry seasons. Constant Creek had the lowest concentrations of dissolved inorganic nitrogen (DIN; 0.01 to 5.4 μmol L−1 of NO3− and 0.09 to 13.6 μmol L−1 of NH4+) and N2O (93 to 132 % saturation), and associated lowest N2O emissions (− 1.4 to 8.4 μmol m−2 d−1) in both seasons. The other two estuaries exhibited higher DIN inputs and higher N2O emissions. The Johnstone River Estuary had the highest N2O concentrations (97 to 245 % saturation) and emissions (− 0.03 to 25.7 μmol m−2 d−1), driven by groundwater inputs from upstream sources, with increased N2O input in the wet season. In the Fitzroy River Estuary, N2O concentrations (100 to 204 % saturation) and emissions (0.03 to 19.5 μmol m−2 d−1) were associated with wastewater inputs, which had a larger effect during the dry season and were diluted during the wet season. Overall N2O emissions from the three tropical estuaries were low compared to previous studies, and at times water-air N2O fluxes were actually negative, indicating that N2O consumption occurred. Low water column NO3− concentration (i.e. < 5 μmol L−1) appears to promote negative water-air N2O fluxes in estuary environments; considering the number of estuaries and mangrove creeks where DIN falls below this threshold, negative water-air N2O fluxes are likely common.

Abstract Terrestrial dissolved inorganic carbon (DIC) and total alkalinity (TAlk) loads have contrasting effects on the pH and carbonate chemistry of the coastal ocean. While TAlk can buffer against ocean acidification, elevated exports of free CO 2 can further exacerbate ocean acidification. In this study, we quantify terrestrial DIC and TAlk loads from rivers and mangrove floodplains across six bioregions and varying flow conditions to assess their impact on the buffering capacity of the Great Barrier Reef (GBR) lagoon in Australia. For a mid‐flow year, median terrestrial DIC and TAlk loads ranged from 0.72 to 0.89 Tg C yr −1 and 0.26 to 1.03 Tg C yr −1 , respectively. We find that mangrove‐dominated terrestrial inputs only have a small influence on the whole GBR but contribute 12.5% (range: 1.9%–45.7%) of the DIC and 18.7% (range: 2.8%–68.2%) of the TAlk inner shelf inventory. Depending on the approach used to estimate TAlk loads, mangroves have a potential short‐term buffering effect on near‐shore coastal waters due to higher TAlk loads. However, long‐term mangrove TAlk production via pyrite formation complicates this interpretation, highlighting the need for ongoing monitoring to understand the complex interplay between terrestrial inputs and their effect on the GBR carbonate chemistry.