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.

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.

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.

Abstract. The global methane (CH4) budget is becoming an increasingly important component for managing realistic pathways to mitigate climate change. This relevance, due to a shorter atmospheric lifetime and a stronger warming potential than carbon dioxide, is challenged by the still unexplained changes of atmospheric CH4 over the past decade. Emissions and concentrations of CH4 are continuing to increase, making CH4 the second most important human-induced greenhouse gas after carbon dioxide. Two major difficulties in reducing uncertainties come from the large variety of diffusive CH4 sources that overlap geographically, and from the destruction of CH4 by the very short-lived hydroxyl radical (OH). To address these difficulties, we have established a consortium of multi-disciplinary scientists under the umbrella of the Global Carbon Project to synthesize and stimulate research on the methane cycle, and producing regular (∼ biennial) updates of the global methane budget. This consortium includes atmospheric physicists and chemists, biogeochemists of surface and marine emissions, and socio-economists who study anthropogenic emissions. Following Kirschke et al. (2013), we propose here the first version of a living review paper that integrates results of top-down studies (exploiting atmospheric observations within an atmospheric inverse-modelling framework) and bottom-up models, inventories and data-driven approaches (including process-based models for estimating land surface emissions and atmospheric chemistry, and inventories for anthropogenic emissions, data-driven extrapolations). For the 2003–2012 decade, global methane emissions are estimated by top-down inversions at 558 Tg CH4 yr−1, range 540–568. About 60 % of global emissions are anthropogenic (range 50–65 %). Since 2010, the bottom-up global emission inventories have been closer to methane emissions in the most carbon-intensive Representative Concentrations Pathway (RCP8.5) and higher than all other RCP scenarios. Bottom-up approaches suggest larger global emissions (736 Tg CH4 yr−1, range 596–884) mostly because of larger natural emissions from individual sources such as inland waters, natural wetlands and geological sources. Considering the atmospheric constraints on the top-down budget, it is likely that some of the individual emissions reported by the bottom-up approaches are overestimated, leading to too large global emissions. Latitudinal data from top-down emissions indicate a predominance of tropical emissions (∼ 64 % of the global budget, < 30° N) as compared to mid (∼ 32 %, 30–60° N) and high northern latitudes (∼ 4 %, 60–90° N). Top-down inversions consistently infer lower emissions in China (∼ 58 Tg CH4 yr−1, range 51–72, −14 %) and higher emissions in Africa (86 Tg CH4 yr−1, range 73–108, +19 %) than bottom-up values used as prior estimates. Overall, uncertainties for anthropogenic emissions appear smaller than those from natural sources, and the uncertainties on source categories appear larger for top-down inversions than for bottom-up inventories and models. The most important source of uncertainty on the methane budget is attributable to emissions from wetland and other inland waters. We show that the wetland extent could contribute 30–40 % on the estimated range for wetland emissions. Other priorities for improving the methane budget include the following: (i) the development of process-based models for inland-water emissions, (ii) the intensification of methane observations at local scale (flux measurements) to constrain bottom-up land surface models, and at regional scale (surface networks and satellites) to constrain top-down inversions, (iii) improvements in the estimation of atmospheric loss by OH, and (iv) improvements of the transport models integrated in top-down inversions. The data presented here can be downloaded from the Carbon Dioxide Information Analysis Center (http://doi.org/10.3334/CDIAC/GLOBAL_METHANE_BUDGET_2016_V1.1) and the Global Carbon Project.

Abstract. Atmospheric CO2 inversions estimate surface carbon fluxes from an optimal fit to atmospheric CO2 measurements, usually including prior constraints on the flux estimates. Eleven sets of carbon flux estimates are compared, generated by different inversions systems that vary in their inversions methods, choice of atmospheric data, transport model and prior information. The inversions were run for at least 5 yr in the period between 1990 and 2010. Mean fluxes for 2001–2004, seasonal cycles, interannual variability and trends are compared for the tropics and northern and southern extra-tropics, and separately for land and ocean. Some continental/basin-scale subdivisions are also considered where the atmospheric network is denser. Four-year mean fluxes are reasonably consistent across inversions at global/latitudinal scale, with a large total (land plus ocean) carbon uptake in the north (−3.4 Pg C yr−1 (±0.5 Pg C yr−1 standard deviation), with slightly more uptake over land than over ocean), a significant although more variable source over the tropics (1.6 ± 0.9 Pg C yr−1) and a compensatory sink of similar magnitude in the south (−1.4 ± 0.5 Pg C yr−1) corresponding mainly to an ocean sink. Largest differences across inversions occur in the balance between tropical land sources and southern land sinks. Interannual variability (IAV) in carbon fluxes is larger for land than ocean regions (standard deviation around 1.06 versus 0.33 Pg C yr−1 for the 1996–2007 period), with much higher consistency among the inversions for the land. While the tropical land explains most of the IAV (standard deviation ~ 0.65 Pg C yr−1), the northern and southern land also contribute (standard deviation ~ 0.39 Pg C yr−1). Most inversions tend to indicate an increase of the northern land carbon uptake from late 1990s to 2008 (around 0.1 Pg C yr−1, predominantly in North Asia. The mean seasonal cycle appears to be well constrained by the atmospheric data over the northern land (at the continental scale), but still highly dependent on the prior flux seasonality over the ocean. Finally we provide recommendations to interpret the regional fluxes, along with the uncertainty estimates.

Downs and Ups Every spring, the concentration of CO 2 in the atmosphere of the Northern Hemisphere decreases as terrestrial vegetation grows, and every fall, CO 2 rises as vegetation dies and rots. Climate change has destabilized the seasonal cycle of atmospheric CO 2 such that Graven et al. (p. 1085 , published online 8 August; see the Perspective by Fung ) have found that the amplitude of the seasonal cycle has exceeded 50% at some latitudes. The only way to explain this increase is if extratropical land ecosystems are growing and shrinking more than they did half a century ago, as a result of changes in the structure and composition of northern ecosystems.

The ability to reliably estimate CO 2 fluxes from current in situ atmospheric CO 2 measurements and future satellite CO 2 measurements is dependent on transport model performance at synoptic and shorter timescales. The TransCom continuous experiment was designed to evaluate the performance of forward transport model simulations at hourly, daily, and synoptic timescales, and we focus on the latter two in this paper. Twenty‐five transport models or model variants submitted hourly time series of nine predetermined tracers (seven for CO 2 ) at 280 locations. We extracted synoptic‐scale variability from daily averaged CO 2 time series using a digital filter and analyzed the results by comparing them to atmospheric measurements at 35 locations. The correlations between modeled and observed synoptic CO 2 variabilities were almost always largest with zero time lag and statistically significant for most models and most locations. Generally, the model results using diurnally varying land fluxes were closer to the observations compared to those obtained using monthly mean or daily average fluxes, and winter was often better simulated than summer. Model results at higher spatial resolution compared better with observations, mostly because these models were able to sample closer to the measurement site location. The amplitude and correlation of model‐data variability is strongly model and season dependent. Overall similarity in modeled synoptic CO 2 variability suggests that the first‐order transport mechanisms are fairly well parameterized in the models, and no clear distinction was found between the meteorological analyses in capturing the synoptic‐scale dynamics.

Nitrous oxide (N2O) is the third most important long-lived GHG and an important stratospheric ozone depleting substance. Agricultural practices and the use of N-fertilizers have greatly enhanced emissions of N2O. Here, we present estimates of N2O emissions determined from three global atmospheric inversion frameworks during the period 1998–2016. We find that global N2O emissions increased substantially from 2009 and at a faster rate than estimated by the IPCC emission factor approach. The regions of East Asia and South America made the largest contributions to the global increase. From the inversion-based emissions, we estimate a global emission factor of 2.3 ± 0.6%, which is significantly larger than the IPCC Tier-1 default for combined direct and indirect emissions of 1.375%. The larger emission factor and accelerating emission increase found from the inversions suggest that N2O emission may have a nonlinear response at global and regional scales with high levels of N-input. Estimates of N2O emissions are important given its role as a GHG. Atmospheric inversions indicate emissions increased over the past decade at a rate 2.5 times that estimated using the IPCC default method, and the emissions response to N-input is larger than linear when N-input is high.

Abstract. A chemistry-transport model (CTM) intercomparison experiment (TransCom-CH4) has been designed to investigate the roles of surface emissions, transport and chemical loss in simulating the global methane distribution. Model simulations were conducted using twelve models and four model variants and results were archived for the period of 1990–2007. All but one model transports were driven by reanalysis products from 3 different meteorological agencies. The transport and removal of CH4 in six different emission scenarios were simulated, with net global emissions of 513 ± 9 and 514 ± 14 Tg CH4 yr−1 for the 1990s and 2000s, respectively. Additionally, sulfur hexafluoride (SF6) was simulated to check the interhemispheric transport, radon (222Rn) to check the subgrid scale transport, and methyl chloroform (CH3CCl3) to check the chemical removal by the tropospheric hydroxyl radical (OH). The results are compared to monthly or annual mean time series of CH4, SF6 and CH3CCl3 measurements from 8 selected background sites, and to satellite observations of CH4 in the upper troposphere and stratosphere. Most models adequately capture the vertical gradients in the stratosphere, the average long-term trends, seasonal cycles, interannual variations (IAVs) and interhemispheric (IH) gradients at the surface sites for SF6, CH3CCl3 and CH4. The vertical gradients of all tracers between the surface and the upper troposphere are consistent within the models, revealing vertical transport differences between models. An average IH exchange time of 1.39 ± 0.18 yr is derived from SF6 time series. Sensitivity simulations suggest that the estimated trends in exchange time, over the period of 1996–2007, are caused by a change of SF6 emissions towards the tropics. Using six sets of emission scenarios, we show that the decadal average CH4 growth rate likely reached equilibrium in the early 2000s due to the flattening of anthropogenic emission growth since the late 1990s. Up to 60% of the IAVs in the observed CH4 concentrations can be explained by accounting for the IAVs in emissions, from biomass burning and wetlands, as well as meteorology in the forward models. The modeled CH4 budget is shown to depend strongly on the troposphere-stratosphere exchange rate and thus on the model's vertical grid structure and circulation in the lower stratosphere. The 15-model median CH4 and CH3CCl3 atmospheric lifetimes are estimated to be 9.99 ± 0.08 and 4.61 ± 0.13 yr, respectively, with little IAV due to transport and temperature.

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).