Abstract. Accurate assessment of anthropogenic carbon dioxide (CO2) emissions and their redistribution among the atmosphere, ocean, and terrestrial biosphere in a changing climate is critical 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 methodologies 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) is estimated with global ocean biogeochemistry models and observation-based data products. The terrestrial CO2 sink (SLAND) is estimated with dynamic global vegetation models. 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 year 2021, EFOS increased by 5.1 % relative to 2020, with fossil emissions at 10.1 ± 0.5 GtC yr−1 (9.9 ± 0.5 GtC yr−1 when the cement carbonation sink is included), and ELUC was 1.1 ± 0.7 GtC yr−1, for a total anthropogenic CO2 emission (including the cement carbonation sink) of 10.9 ± 0.8 GtC yr−1 (40.0 ± 2.9 GtCO2). Also, for 2021, GATM was 5.2 ± 0.2 GtC yr−1 (2.5 ± 0.1 ppm yr−1), SOCEAN was 2.9 ± 0.4 GtC yr−1, and SLAND was 3.5 ± 0.9 GtC yr−1, with a BIM of −0.6 GtC yr−1 (i.e. the total estimated sources were too low or sinks were too high). The global atmospheric CO2 concentration averaged over 2021 reached 414.71 ± 0.1 ppm. Preliminary data for 2022 suggest an increase in EFOS relative to 2021 of +1.0 % (0.1 % to 1.9 %) globally and atmospheric CO2 concentration reaching 417.2 ppm, more than 50 % above pre-industrial levels (around 278 ppm). Overall, the mean and trend in the components of the global carbon budget are consistently estimated over the period 1959–2021, but discrepancies of up to 1 GtC yr−1 persist for the representation of annual to semi-decadal variability in CO2 fluxes. Comparison of estimates from multiple approaches and observations shows (1) a persistent large uncertainty in the estimate of land-use change emissions, (2) a low agreement between the different methods on the magnitude of the land CO2 flux in the northern extratropics, and (3) a discrepancy between the different methods on the strength of the ocean sink over the last decade. 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. The data presented in this work are available at https://doi.org/10.18160/GCP-2022 (Friedlingstein et al., 2022b).

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).

Investigating plant responses to climate change is key to develop suitable adaptation strategies. However, whether changes in land management can alleviate increasing drought threats to crops in the future is still unclear. We conducted a management × drought experiment with winter wheat (Triticum aestivum L.) to study plant water and vegetative traits in response to drought and management (conventional vs organic farming, with intensive vs conservation tillage). Water traits (root water uptake pattern, stem metaxylem area, leaf water potential, stomatal conductance) and vegetative traits (plant height, leaf area, leaf Chl content) were considered simultaneously to characterise the variability of multiple traits in a trait space, using principal component analysis. Management could not alleviate the drought impacts on plant water traits as it mainly affected vegetative traits, with yields ultimately being affected by both management and drought. Trait spaces were clearly separated between organic and conventional management as well as between drought and control conditions. Moreover, changes in trait space triggered by management and drought were independent from each other. Neither organic management nor conservation tillage eased drought impacts on winter wheat. Thus, our study raised concerns about the effectiveness of these management options as adaptation strategies to climate change.

Abstract The terrestrial biosphere plays a major role in the global carbon cycle, and there is a recognized need for regularly updated estimates of land‐atmosphere exchange at regional and global scales. An international ensemble of Dynamic Global Vegetation Models (DGVMs), known as the “Trends and drivers of the regional scale terrestrial sources and sinks of carbon dioxide” (TRENDY) project, quantifies land biophysical exchange processes and biogeochemistry cycles in support of the annual Global Carbon Budget assessments and the REgional Carbon Cycle Assessment and Processes, phase 2 project. DGVMs use a common protocol and set of driving data sets. A set of factorial simulations allows attribution of spatio‐temporal changes in land surface processes to three primary global change drivers: changes in atmospheric CO 2 , climate change and variability, and Land Use and Land Cover Changes (LULCC). Here, we describe the TRENDY project, benchmark DGVM performance using remote‐sensing and other observational data, and present results for the contemporary period. Simulation results show a large global carbon sink in natural vegetation over 2012–2021, attributed to the CO 2 fertilization effect (3.8 ± 0.8 PgC/yr) and climate (−0.58 ± 0.54 PgC/yr). Forests and semi‐arid ecosystems contribute approximately equally to the mean and trend in the natural land sink, and semi‐arid ecosystems continue to dominate interannual variability. The natural sink is offset by net emissions from LULCC (−1.6 ± 0.5 PgC/yr), with a net land sink of 1.7 ± 0.6 PgC/yr. Despite the largest gross fluxes being in the tropics, the largest net land‐atmosphere exchange is simulated in the extratropical regions.

Effective nitrogen fertilizer management is crucial for reducing nitrous oxide (N

Abstract. Due to ongoing climate change, methane (CH4) emissions from vegetated wetlands are projected to increase during the 21st century, challenging climate mitigation efforts aimed at limiting global warming. However, despite reports of rising emission trends, a comprehensive evaluation and attribution of recent changes remains limited. Here we assessed global wetland CH4 emissions from 2000–2020 based on an ensemble of 16 process-based wetland models. Our results estimated global average wetland CH4 emissions at 158 ± 24 (mean ± 1σ) Tg CH4 yr−1 over a total annual average wetland area of 8.0 ± 2.0×106 km2 for the period 2010–2020, with an average increase of 6–7 Tg CH4 yr−1 in 2010–2019 compared to the average for 2000–2009. The increases in the four latitudinal bands of 90–30° S, 30° S–30° N, 30–60° N, and 60–90° N were 0.1–0.2, 3.6–3.7, 1.8–2.4, and 0.6–0.8 Tg CH4 yr−1, respectively, over the 2 decades. The modeled CH4 sensitivities to temperature show reasonable consistency with eddy-covariance-based measurements from 34 sites. Rising temperature was the primary driver of the increase, while precipitation and rising atmospheric CO2 concentrations played secondary roles with high levels of uncertainty. These modeled results suggest that climate change is driving increased wetland CH4 emissions and that direct and sustained measurements are needed to monitor developments.

In this paper, we select the China Carbon Market Price Index, which reflects the overall price changes in China’s carbon market (CCM), and employs the TVP-VAR-BK model to examine the risk spillover effects between the carbon market and high-carbon-emission industries in China from a frequency domain viewpoint. Employing the nonparametric quantile Granger causality test, it delves further into the effects of economic policy uncertainty (EPU) in China on the degree of risk spillovers between the carbon market and high-carbon-emission industries. There are significant risk spillover effects between the carbon market and high-carbon-emission industries. During the short term, the carbon market affects the cement industry more than the electric power and steel industries. However, the carbon market is affected by the volatility of the high-carbon-emission industries over the long term. In addition, the effect of EPU on the magnitude of risk spillovers between the carbon market and high-carbon-emission industries is nonsignificant at extreme quartiles and significant at the middle quartile level, which is typically asymmetric.

Abstract Northern forests are an important carbon sink, but our understanding of the driving factors is limited due to discrepancies between dynamic global vegetation models (DGVMs) and atmospheric inversions. We show that DGVMs simulate a 50% lower sink (1.1 ± 0.5 PgC yr −1 over 2001–2021) across North America, Europe, Russia, and China compared to atmospheric inversions (2.2 ± 0.6 PgC yr −1 ). We explain why DGVMs underestimate the carbon sink by considering how they represent disturbance processes, specifically the overestimation of fire emissions, and the lack of robust forest demography resulting in lower forest regrowth rates than observed. We reconcile net sink estimates by using alternative disturbance-related fluxes. We estimate carbon uptake through forest regrowth by combining satellite-derived forest age and biomass maps. We calculate a regrowth flux of 1.1 ± 0.1 PgC yr −1 , and combine this with satellite-derived estimates of fire emissions (0.4 ± 0.1 PgC yr −1 ), land-use change emissions from bookkeeping models (0.9 ± 0.2 PgC yr −1 ), and the DGVM-estimated sink from CO 2 fertilisation, nitrogen deposition, and climate change (2.2 ± 0.9 PgC yr −1 ). The resulting ‘bottom-up’ net flux of 2.1 ± 0.9 PgC yr −1 agrees with atmospheric inversions. The reconciliation holds at regional scales, increasing confidence in our results.