The growth rate of atmospheric carbon dioxide (CO(2)), the largest human contributor to human-induced climate change, is increasing rapidly. Three processes contribute to this rapid increase. Two of these processes concern emissions. Recent growth of the world economy combined with an increase in its carbon intensity have led to rapid growth in fossil fuel CO(2) emissions since 2000: comparing the 1990s with 2000-2006, the emissions growth rate increased from 1.3% to 3.3% y(-1). The third process is indicated by increasing evidence (P = 0.89) for a long-term (50-year) increase in the airborne fraction (AF) of CO(2) emissions, implying a decline in the efficiency of CO(2) sinks on land and oceans in absorbing anthropogenic emissions. Since 2000, the contributions of these three factors to the increase in the atmospheric CO(2) growth rate have been approximately 65 +/- 16% from increasing global economic activity, 17 +/- 6% from the increasing carbon intensity of the global economy, and 18 +/- 15% from the increase in AF. An increasing AF is consistent with results of climate-carbon cycle models, but the magnitude of the observed signal appears larger than that estimated by models. All of these changes characterize a carbon cycle that is generating stronger-than-expected and sooner-than-expected climate forcing.

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).

Nitrous oxide (N2O), like carbon dioxide, is a long-lived greenhouse gas that accumulates in the atmosphere. Over the past 150 years, increasing atmospheric N2O concentrations have contributed to stratospheric ozone depletion1 and climate change2, with the current rate of increase estimated at 2 per cent per decade. Existing national inventories do not provide a full picture of N2O emissions, owing to their omission of natural sources and limitations in methodology for attributing anthropogenic sources. Here we present a global N2O inventory that incorporates both natural and anthropogenic sources and accounts for the interaction between nitrogen additions and the biochemical processes that control N2O emissions. We use bottom-up (inventory, statistical extrapolation of flux measurements, process-based land and ocean modelling) and top-down (atmospheric inversion) approaches to provide a comprehensive quantification of global N2O sources and sinks resulting from 21 natural and human sectors between 1980 and 2016. Global N2O emissions were 17.0 (minimum–maximum estimates: 12.2–23.5) teragrams of nitrogen per year (bottom-up) and 16.9 (15.9–17.7) teragrams of nitrogen per year (top-down) between 2007 and 2016. Global human-induced emissions, which are dominated by nitrogen additions to croplands, increased by 30% over the past four decades to 7.3 (4.2–11.4) teragrams of nitrogen per year. This increase was mainly responsible for the growth in the atmospheric burden. Our findings point to growing N2O emissions in emerging economies—particularly Brazil, China and India. Analysis of process-based model estimates reveals an emerging N2O–climate feedback resulting from interactions between nitrogen additions and climate change. The recent growth in N2O emissions exceeds some of the highest projected emission scenarios3,4, underscoring the urgency to mitigate N2O emissions. Bottom-up and top-down approaches are used to quantify global nitrous oxide sources and sinks resulting from both natural and anthropogenic sources, revealing a 30% increase in global human-induced emissions between 1980 and 2016.

Based on observed atmospheric carbon dioxide (CO 2 ) concentration and an inverse method, we estimate that the Southern Ocean sink of CO 2 has weakened between 1981 and 2004 by 0.08 petagrams of carbon per year per decade relative to the trend expected from the large increase in atmospheric CO 2 . We attribute this weakening to the observed increase in Southern Ocean winds resulting from human activities, which is projected to continue in the future. Consequences include a reduction of the efficiency of the Southern Ocean sink of CO 2 in the short term (about 25 years) and possibly a higher level of stabilization of atmospheric CO 2 on a multicentury time scale.

Abstract Ecosystem processes are important determinants of the biogeochemistry of the ocean, and they can be profoundly affected by changes in climate. Ocean models currently express ecosystem processes through empirically derived parameterizations that tightly link key geochemical tracers to ocean physics. The explicit inclusion of ecosystem processes in models will permit ecological changes to be taken into account, and will allow us to address several important questions, including the causes of observed glacial–interglacial changes in atmospheric trace gases and aerosols, and how the oceanic uptake of CO 2 is likely to change in the future. There is an urgent need to assess our mechanistic understanding of the environmental factors that exert control over marine ecosystems, and to represent their natural complexity based on theoretical understanding. We present a prototype design for a Dynamic Green Ocean Model (DGOM) based on the identification of (a) key plankton functional types that need to be simulated explicitly to capture important biogeochemical processes in the ocean; (b) key processes controlling the growth and mortality of these functional types and hence their interactions; and (c) sources of information necessary to parameterize each of these processes within a modeling framework. We also develop a strategy for model evaluation, based on simulation of both past and present mean state and variability, and identify potential sources of validation data for each. Finally, we present a DGOM‐based strategy for addressing key questions in ocean biogeochemistry. This paper thus presents ongoing work in ocean biogeochemical modeling, which, it is hoped will motivate international collaborations to improve our understanding of the role of the ocean in the climate system.

The third primary production algorithm round robin (PPARR3) compares output from 24 models that estimate depth-integrated primary production from satellite measurements of ocean color, as well as seven general circulation models (GCMs) coupled with ecosystem or biogeochemical models. Here we compare the global primary production fields corresponding to eight months of 1998 and 1999 as estimated from common input fields of photosynthetically-available radiation (PAR), sea-surface temperature (SST), mixed-layer depth, and chlorophyll concentration. We also quantify the sensitivity of the ocean-color-based models to perturbations in their input variables. The pair-wise correlation between ocean-color models was used to cluster them into groups or related output, which reflect the regions and environmental conditions under which they respond differently. The groups do not follow model complexity with regards to wavelength or depth dependence, though they are related to the manner in which temperature is used to parameterize photosynthesis. Global average PP varies by a factor of two between models. The models diverged the most for the Southern Ocean, SST under 10∘C, and chlorophyll concentration exceeding 1 mg Chl m-3. Based on the conditions under which the model results diverge most, we conclude that current ocean-color-based models are challenged by high-nutrient low-chlorophyll conditions, and extreme temperatures or chlorophyll concentrations. The GCM-based models predict comparable primary production to those based on ocean color: they estimate higher values in the Southern Ocean, at low SST, and in the equatorial band, while they estimate lower values in eutrophic regions (probably because the area of high chlorophyll concentrations is smaller in the GCMs). Further progress in primary production modeling requires improved understanding of the effect of temperature on photosynthesis and better parameterization of the maximum photosynthetic rate.

Abstract. The smallest marine phytoplankton, collectively termed picophytoplankton, have been routinely enumerated by flow cytometry since the late 1980s during cruises throughout most of the world ocean. We compiled a database of 40 946 data points, with separate abundance entries for Prochlorococcus, Synechococcus and picoeukaryotes. We use average conversion factors for each of the three groups to convert the abundance data to carbon biomass. After gridding with 1° spacing, the database covers 2.4% of the ocean surface area, with the best data coverage in the North Atlantic, the South Pacific and North Indian basins, and at least some data in all other basins. The average picophytoplankton biomass is 12 ± 22 μg C l−1 or 1.9 g C m−2. We estimate a total global picophytoplankton biomass of 0.53–1.32 Pg C (17–39% Prochlorococcus, 12–15% Synechococcus and 49–69% picoeukaryotes), with an intermediate/best estimate of 0.74 Pg C. Future efforts in this area of research should focus on reporting calibrated cell size and collecting data in undersampled regions. http://doi.pangaea.de/10.1594/PANGAEA.777385

Abstract We report a new synthesis of best estimates of the inputs of fixed nitrogen to the world ocean via atmospheric deposition and compare this to fluvial inputs and dinitrogen fixation. We evaluate the scale of human perturbation of these fluxes. Fluvial inputs dominate inputs to the continental shelf, and we estimate that about 75% of this fluvial nitrogen escapes from the shelf to the open ocean. Biological dinitrogen fixation is the main external source of nitrogen to the open ocean, i.e., beyond the continental shelf. Atmospheric deposition is the primary mechanism by which land‐based nitrogen inputs, and hence human perturbations of the nitrogen cycle, reach the open ocean. We estimate that anthropogenic inputs are currently leading to an increase in overall ocean carbon sequestration of ~0.4% (equivalent to an uptake of 0.15 Pg C yr −1 and less than the Duce et al. (2008) estimate). The resulting reduction in climate change forcing from this ocean CO 2 uptake is offset to a small extent by an increase in ocean N 2 O emissions. We identify four important feedbacks in the ocean atmosphere nitrogen system that need to be better quantified to improve our understanding of the perturbation of ocean biogeochemistry by atmospheric nitrogen inputs. These feedbacks are recycling of (1) ammonia and (2) organic nitrogen from the ocean to the atmosphere and back, (3) the suppression of nitrogen fixation by increased nitrogen concentrations in surface waters from atmospheric deposition, and (4) increased loss of nitrogen from the ocean by denitrification due to increased productivity stimulated by atmospheric inputs.

Abstract. Past model studies have projected a global decrease in marine net primary production (NPP) over the 21st century, but these studies focused on the multi-model mean and mostly ignored the large inter-model differences. Here, we analyze model simulated changes of NPP for the 21st century under IPCC's high emission scenario RCP8.5 using a suite of nine coupled carbon–climate Earth System Models with embedded marine ecosystem models with a focus on the spread between the different models and the underlying reasons. Globally, five out of the nine models show a decrease in NPP over the course of the 21st century, while three show no significant trend and one even simulates an increase. The largest model spread occurs in the low latitudes (between 30° S and 30° N), with individual models simulating relative changes between −25 and +40%. In this region, the inter-quartile range of the differences between the 2012–2031 average and the 2081–2100 average is up to 3 mol C m-2 yr-1. These large differences in future change mirror large differences in present day NPP. Of the seven models diagnosing a net decrease in NPP in the low latitudes, only three simulate this to be a consequence of the classical interpretation, i.e., a stronger nutrient limitation due to increased stratification and reduced upwelling. In the other four, warming-induced increases in phytoplankton growth outbalance the stronger nutrient limitation. However, temperature-driven increases in grazing and other loss processes cause a net decrease in phytoplankton biomass and reduces NPP despite higher growth rates. One model projects a strong increase in NPP in the low latitudes, caused by an intensification of the microbial loop, while the remaining model simulates changes of less than 0.5%. While there is more consistency in the modeled increase in NPP in the Southern Ocean, the regional inter-model range is also very substantial. In most models, this increase in NPP is driven by temperature, but is also modulated by changes in light, macronutrients and iron as well as grazing. Overall, current projections of future changes in global marine NPP are subject to large uncertainties and necessitate a dedicated and sustained effort to improve the models and the concepts and data that guide their development.