Abstract. We report the direct observation of laboratory production of spherical, carbonaceous particles – "tar balls" – from smoldering combustion of two commonly occurring dry mid-latitude fuels. Real-time measurements of spectrally varying absorption Ångström coefficients (AAC) indicate that a class of light absorbing organic carbon (OC) with wavelength dependent imaginary part of its refractive index – optically defined as "brown carbon" – is an important component of tar balls. The spectrum of the imaginary parts of their complex refractive indices can be described with a Lorentzian-like model with an effective resonance wavelength in the ultraviolet (UV) spectral region. Sensitivity calculations for aerosols containing traditional OC (no absorption at visible and UV wavelengths) and brown carbon suggest that accounting for near-UV absorption by brown carbon leads to an increase in aerosol radiative forcing efficiency and increased light absorption. Since particles from smoldering combustion account for nearly three-fourths of the total carbonaceous aerosol mass emitted globally, inclusion of the optical properties of tar balls into radiative forcing models has significance for the Earth's radiation budget, optical remote sensing, and understanding of anomalous UV absorption in the troposphere.

Biomass burning is one of the largest sources of carbonaceous aerosols in the atmosphere, significantly affecting earth’s radiation budget and climate. Tar balls, abundant in biomass burning smoke, absorb sunlight and have highly variable optical properties, typically not accounted for in climate models. Here we analyse single biomass burning particles from the Las Conchas fire (New Mexico, 2011) using electron microscopy. We show that the relative abundance of tar balls (80%) is 10 times greater than soot particles (8%). We also report two distinct types of tar balls; one less oxidized than the other. Furthermore, the mixing of soot particles with other material affects their optical, chemical and physical properties. We quantify the morphology of soot particles and classify them into four categories: ~50% are embedded (heavily coated), ~34% are partly coated, ~12% have inclusions and~4% are bare. Inclusion of these observations should improve climate model performances. Biomass burning is a major source of carbonaceous particles, including tar balls and soot, that affect earth’s climate. Studying a wildfire plume, this work identifies two types of tar balls and classifies soot according to its mixing state with implications for the calculation of aerosol radiative forcing.

Abstract Black carbon (BC) and light-absorbing organic carbon (brown carbon, BrC) play key roles in warming the atmosphere, but the magnitude of their effects remains highly uncertain. Theoretical modelling and laboratory experiments demonstrate that coatings on BC can enhance BC’s light absorption, therefore many climate models simply assume enhanced BC absorption by a factor of ∼1.5. However, recent field observations show negligible absorption enhancement, implying models may overestimate BC’s warming. Here we report direct evidence of substantial field-measured BC absorption enhancement, with the magnitude strongly depending on BC coating amount. Increases in BC coating result from a combination of changing sources and photochemical aging processes. When the influence of BrC is accounted for, observationally constrained model calculations of the BC absorption enhancement can be reconciled with the observations. We conclude that the influence of coatings on BC absorption should be treated as a source and regionally specific parameter in climate models.

We show for the first time quantitative online measurements of five nitrated phenol (NP) compounds in ambient air (nitrophenol C6H5NO3, methylnitrophenol C7H7NO3, nitrocatechol C6H5NO4, methylnitrocatechol C7H7NO4, and dinitrophenol C6H4N2O5) measured with a micro-orifice volatilization impactor (MOVI) high-resolution chemical ionization mass spectrometer in Detling, United Kingdom during January–February, 2012. NPs absorb radiation in the near-ultraviolet (UV) range of the electromagnetic spectrum and thus are potential components of poorly characterized light-absorbing organic matter ("brown carbon") which can affect the climate and air quality. Total NP concentrations varied between less than 1 and 98 ng m–3, with a mean value of 20 ng m–3. We conclude that NPs measured in Detling have a significant contribution from biomass burning with an estimated emission factor of 0.2 ng (ppb CO)−1. Particle light absorption measurements by a seven-wavelength aethalometer in the near-UV (370 nm) and literature values of molecular absorption cross sections are used to estimate the contribution of NP to wood burning brown carbon UV light absorption. We show that these five NPs are potentially important contributors to absorption at 370 nm measured by an aethalometer and account for 4 ± 2% of UV light absorption by brown carbon. They can thus affect atmospheric radiative transfer and photochemistry and with that climate and air quality.

Abstract. NASA's Orbiting Carbon Observatory-2 (OCO-2) has been measuring carbon dioxide column-averaged dry-air mole fraction, XCO2, in the Earth's atmosphere for over 2 years. In this paper, we describe the comparisons between the first major release of the OCO-2 retrieval algorithm (B7r) and XCO2 from OCO-2's primary ground-based validation network: the Total Carbon Column Observing Network (TCCON). The OCO-2 XCO2 retrievals, after filtering and bias correction, agree well when aggregated around and coincident with TCCON data in nadir, glint, and target observation modes, with absolute median differences less than 0.4 ppm and RMS differences less than 1.5 ppm. After bias correction, residual biases remain. These biases appear to depend on latitude, surface properties, and scattering by aerosols. It is thus crucial to continue measurement comparisons with TCCON to monitor and evaluate the OCO-2 XCO2 data quality throughout its mission.

Abstract. Since September 2014, NASA's Orbiting Carbon Observatory-2 (OCO-2) satellite has been taking measurements of reflected solar spectra and using them to infer atmospheric carbon dioxide levels. This work provides details of the OCO-2 retrieval algorithm, versions 7 and 8, used to derive the column-averaged dry air mole fraction of atmospheric CO2 (XCO2) for the roughly 100 000 cloud-free measurements recorded by OCO-2 each day. The algorithm is based on the Atmospheric Carbon Observations from Space (ACOS) algorithm which has been applied to observations from the Greenhouse Gases Observing SATellite (GOSAT) since 2009, with modifications necessary for OCO-2. Because high accuracy, better than 0.25 %, is required in order to accurately infer carbon sources and sinks from XCO2, significant errors and regional-scale biases in the measurements must be minimized. We discuss efforts to filter out poor-quality measurements, and correct the remaining good-quality measurements to minimize regional-scale biases. Updates to the radiance calibration and retrieval forward model in version 8 have improved many aspects of the retrieved data products. The version 8 data appear to have reduced regional-scale biases overall, and demonstrate a clear improvement over the version 7 data. In particular, error variance with respect to TCCON was reduced by 20 % over land and 40 % over ocean between versions 7 and 8, and nadir and glint observations over land are now more consistent. While this paper documents the significant improvements in the ACOS algorithm, it will continue to evolve and improve as the CO2 data record continues to expand.

Abstract. We present simulations of the 20th century Arctic temperature anomaly from the second generation Canadian Earth System Model (CanESM2). The new model couples together an atmosphere-ocean general circulation model, a land-vegetation model and terrestrial and oceanic interactive carbon cycle. It simulates well the observed 20th century Arctic temperature variability that includes the early and late 20th century warming periods and the intervening 1940–1970 period of substantial cooling. The addition of the land-vegetation model and the terrestrial and oceanic interactive carbon cycle to the coupled atmosphere-ocean model improves the agreement with observations from 1900–1970, however, it increases the overestimate of the post 1970 warming. In contrast the older generation coupled atmosphere-ocean general circulation models Canadian CanCM3 and NCAR/LANL CCSM3, used in the IPCC 2007 climate change assessment report, overestimate the rate of the 20th century Arctic warming by factor of two to three and they are unable to reproduce the observed 20th century Arctic climate variability.

Abstract. We use 2009–2011 space-borne methane observations from the Greenhouse Gases Observing SATellite (GOSAT) to estimate global and North American methane emissions with 4° × 5° and up to 50 km × 50 km spatial resolution, respectively. GEOS-Chem and GOSAT data are first evaluated with atmospheric methane observations from surface and tower networks (NOAA/ESRL, TCCON) and aircraft (NOAA/ESRL, HIPPO), using the GEOS-Chem chemical transport model as a platform to facilitate comparison of GOSAT with in situ data. This identifies a high-latitude bias between the GOSAT data and GEOS-Chem that we correct via quadratic regression. Our global adjoint-based inversion yields a total methane source of 539 Tg a−1 with some important regional corrections to the EDGARv4.2 inventory used as a prior. Results serve as dynamic boundary conditions for an analytical inversion of North American methane emissions using radial basis functions to achieve high resolution of large sources and provide error characterization. We infer a US anthropogenic methane source of 40.2–42.7 Tg a−1, as compared to 24.9–27.0 Tg a−1 in the EDGAR and EPA bottom-up inventories, and 30.0–44.5 Tg a−1 in recent inverse studies. Our estimate is supported by independent surface and aircraft data and by previous inverse studies for California. We find that the emissions are highest in the southern–central US, the Central Valley of California, and Florida wetlands; large isolated point sources such as the US Four Corners also contribute. Using prior information on source locations, we attribute 29–44 % of US anthropogenic methane emissions to livestock, 22–31 % to oil/gas, 20 % to landfills/wastewater, and 11–15 % to coal. Wetlands contribute an additional 9.0–10.1 Tg a−1.

Abstract Wildfires emit significant amounts of pollutants that degrade air quality. Plumes from three wildfires in the western U.S. were measured from aircraft during the Studies of Emissions and Atmospheric Composition, Clouds and Climate Coupling by Regional Surveys (SEAC 4 RS) and the Biomass Burning Observation Project (BBOP), both in summer 2013. This study reports an extensive set of emission factors (EFs) for over 80 gases and 5 components of submicron particulate matter (PM 1 ) from these temperate wildfires. These include rarely, or never before, measured oxygenated volatile organic compounds and multifunctional organic nitrates. The observed EFs are compared with previous measurements of temperate wildfires, boreal forest fires, and temperate prescribed fires. The wildfires emitted high amounts of PM 1 (with organic aerosol (OA) dominating the mass) with an average EF that is more than 2 times the EFs for prescribed fires. The measured EFs were used to estimate the annual wildfire emissions of carbon monoxide, nitrogen oxides, total nonmethane organic compounds, and PM 1 from 11 western U.S. states. The estimated gas emissions are generally comparable with the 2011 National Emissions Inventory (NEI). However, our PM 1 emission estimate (1530 ± 570 Gg yr −1 ) is over 3 times that of the NEI PM 2.5 estimate and is also higher than the PM 2.5 emitted from all other sources in these states in the NEI. This study indicates that the source of OA from biomass burning in the western states is significantly underestimated. In addition, our results indicate that prescribed burning may be an effective method to reduce fine particle emissions.