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. 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.

Processes causing greenhouse gas (GHG) emissions benefit humans by providing consumer goods and services. This benefit, and hence the responsibility for emissions, varies by purpose or consumption category and is unevenly distributed across and within countries. We quantify greenhouse gas emissions associated with the final consumption of goods and services for 73 nations and 14 aggregate world regions. We analyze the contribution of 8 categories: construction, shelter, food, clothing, mobility, manufactured products, services, and trade. National average per capita footprints vary from 1 tCO2e/y in African countries to ∼30t/y in Luxembourg and the United States. The expenditure elasticity is 0.57. The cross-national expenditure elasticity for just CO2, 0.81, corresponds remarkably well to the cross-sectional elasticities found within nations, suggesting a global relationship between expenditure and emissions that holds across several orders of magnitude difference. On the global level, 72% of greenhouse gas emissions are related to household consumption, 10% to government consumption, and 18% to investments. Food accounts for 20% of GHG emissions, operation and maintenance of residences is 19%, and mobility is 17%. Food and services are more important in developing countries, while mobility and manufactured goods rise fast with income and dominate in rich countries. The importance of public services and manufactured goods has not yet been sufficiently appreciated in policy. Policy priorities hence depend on development status and country-level characteristics.

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).

Despite the emergence of regional climate policies, growth in global CO(2) emissions has remained strong. From 1990 to 2008 CO(2) emissions in developed countries (defined as countries with emission-reduction commitments in the Kyoto Protocol, Annex B) have stabilized, but emissions in developing countries (non-Annex B) have doubled. Some studies suggest that the stabilization of emissions in developed countries was partially because of growing imports from developing countries. To quantify the growth in emission transfers via international trade, we developed a trade-linked global database for CO(2) emissions covering 113 countries and 57 economic sectors from 1990 to 2008. We find that the emissions from the production of traded goods and services have increased from 4.3 Gt CO(2) in 1990 (20% of global emissions) to 7.8 Gt CO(2) in 2008 (26%). Most developed countries have increased their consumption-based emissions faster than their territorial emissions, and non-energy-intensive manufacturing had a key role in the emission transfers. The net emission transfers via international trade from developing to developed countries increased from 0.4 Gt CO(2) in 1990 to 1.6 Gt CO(2) in 2008, which exceeds the Kyoto Protocol emission reductions. Our results indicate that international trade is a significant factor in explaining the change in emissions in many countries, from both a production and consumption perspective. We suggest that countries monitor emission transfers via international trade, in addition to territorial emissions, to ensure progress toward stabilization of global greenhouse gas emissions.

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.

A revised estimate of Chinese carbon emissions from fossil fuel burning and cement production is presented, based on updated energy consumption and clinker production data and two new sets of measured emission factors for Chinese coal. China emits large amounts of anthropogenic carbon, but its carbon emission estimates are highly uncertain. This paper presents a revised estimate of Chinese carbon emissions from fossil fuel burning and cement production based on updated energy consumption and clinker production data, and two new sets of measured emission factors for Chinese coal. The authors estimate of China's cumulative carbon emissions for the period 2000 to 2013 is 13% lower than previous estimates. Nearly three-quarters of the growth in global carbon emissions from the burning of fossil fuels and cement production between 2010 and 2012 occurred in China1,2. Yet estimates of Chinese emissions remain subject to large uncertainty; inventories of China’s total fossil fuel carbon emissions in 2008 differ by 0.3 gigatonnes of carbon, or 15 per cent1,3,4,5. The primary sources of this uncertainty are conflicting estimates of energy consumption and emission factors, the latter being uncertain because of very few actual measurements representative of the mix of Chinese fuels. Here we re-evaluate China’s carbon emissions using updated and harmonized energy consumption and clinker production data and two new and comprehensive sets of measured emission factors for Chinese coal. We find that total energy consumption in China was 10 per cent higher in 2000–2012 than the value reported by China’s national statistics6, that emission factors for Chinese coal are on average 40 per cent lower than the default values recommended by the Intergovernmental Panel on Climate Change7, and that emissions from China’s cement production are 45 per cent less than recent estimates1,4. Altogether, our revised estimate of China’s CO2 emissions from fossil fuel combustion and cement production is 2.49 gigatonnes of carbon (2 standard deviations = ±7.3 per cent) in 2013, which is 14 per cent lower than the emissions reported by other prominent inventories1,4,8. Over the full period 2000 to 2013, our revised estimates are 2.9 gigatonnes of carbon less than previous estimates of China’s cumulative carbon emissions1,4. Our findings suggest that overestimation of China’s emissions in 2000–2013 may be larger than China’s estimated total forest sink in 1990–2007 (2.66 gigatonnes of carbon)9 or China’s land carbon sink in 2000–2009 (2.6 gigatonnes of carbon)10.

Scenario analyses suggest that negative emissions technologies (NETs) are necessary to limit dangerous warming. Here the authors assess the biophysical limits to, and economic costs of, the widespread application of NETs. To have a >50% chance of limiting warming below 2 °C, most recent scenarios from integrated assessment models (IAMs) require large-scale deployment of negative emissions technologies (NETs). These are technologies that result in the net removal of greenhouse gases from the atmosphere. We quantify potential global impacts of the different NETs on various factors (such as land, greenhouse gas emissions, water, albedo, nutrients and energy) to determine the biophysical limits to, and economic costs of, their widespread application. Resource implications vary between technologies and need to be satisfactorily addressed if NETs are to have a significant role in achieving climate goals.