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 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 a methodology to quantify all major components of the global carbon budget, including their uncertainties, based on the combination of a range of data, algorithms, statistics, and model estimates and their interpretation by a broad scientific community. We discuss changes compared to previous estimates, consistency within and among components, alongside methodology and data limitations. CO2 emissions from fossil fuel combustion and cement production (EFF) are based on energy statistics and cement production data, respectively, while emissions from land-use change (ELUC), mainly deforestation, are based on combined evidence from land-cover-change data, fire activity associated with deforestation, and models. The global atmospheric CO2 concentration is measured directly and its rate of growth (GATM) is computed from the annual changes in concentration. The mean ocean CO2 sink (SOCEAN) is based on observations from the 1990s, while the annual anomalies and trends are estimated with ocean models. The variability in SOCEAN is evaluated with data products based on surveys of ocean CO2 measurements. The global residual terrestrial CO2 sink (SLAND) is estimated by the difference of the other terms of the global carbon budget and compared to results of independent dynamic global vegetation models forced by observed climate, CO2, and land-cover-change (some including nitrogen–carbon interactions). We compare the mean land and ocean fluxes and their variability to estimates from three atmospheric inverse methods for three broad latitude bands. All uncertainties are reported as ±1σ, reflecting the current capacity to characterise the annual estimates of each component of the global carbon budget. For the last decade available (2004–2013), EFF was 8.9 ± 0.4 GtC yr−1, ELUC 0.9 ± 0.5 GtC yr−1, GATM 4.3 ± 0.1 GtC yr−1, SOCEAN 2.6 ± 0.5 GtC yr−1, and SLAND 2.9 ± 0.8 GtC yr−1. For year 2013 alone, EFF grew to 9.9 ± 0.5 GtC yr−1, 2.3% above 2012, continuing the growth trend in these emissions, ELUC was 0.9 ± 0.5 GtC yr−1, GATM was 5.4 ± 0.2 GtC yr−1, SOCEAN was 2.9 ± 0.5 GtC yr−1, and SLAND was 2.5 ± 0.9 GtC yr−1. GATM was high in 2013, reflecting a steady increase in EFF and smaller and opposite changes between SOCEAN and SLAND compared to the past decade (2004–2013). The global atmospheric CO2 concentration reached 395.31 ± 0.10 ppm averaged over 2013. We estimate that EFF will increase by 2.5% (1.3–3.5%) to 10.1 ± 0.6 GtC in 2014 (37.0 ± 2.2 GtCO2 yr−1), 65% above emissions in 1990, based on projections of world gross domestic product and recent changes in the carbon intensity of the global economy. From this projection of EFF and assumed constant ELUC for 2014, cumulative emissions of CO2 will reach about 545 ± 55 GtC (2000 ± 200 GtCO2) for 1870–2014, about 75% from EFF and 25% from ELUC. This paper documents changes in the methods and data sets used in this new carbon budget compared with previous publications of this living data set (Le Quéré et al., 2013, 2014). All observations presented here can be downloaded from the Carbon Dioxide Information Analysis Center (doi:10.3334/CDIAC/GCP_2014).

Abstract. Accurate assessment of anthropogenic carbon dioxide (CO2) emissions and their redistribution among the atmosphere, ocean, and terrestrial biosphere 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 a methodology to quantify all major components of the global carbon budget, including their uncertainties, based on the combination of a range of data, algorithms, statistics and model estimates and their interpretation by a broad scientific community. We discuss changes compared to previous estimates, consistency within and among components, alongside methodology and data limitations. CO2 emissions from fossil-fuel combustion and cement production (EFF) are based on energy statistics, while emissions from land-use change (ELUC), mainly deforestation, are based on combined evidence from land-cover change data, fire activity associated with deforestation, and models. The global atmospheric CO2 concentration is measured directly and its rate of growth (GATM) is computed from the annual changes in concentration. The mean ocean CO2 sink (SOCEAN) is based on observations from the 1990s, while the annual anomalies and trends are estimated with ocean models. The variability in SOCEAN is evaluated for the first time in this budget with data products based on surveys of ocean CO2 measurements. The global residual terrestrial CO2 sink (SLAND) is estimated by the difference of the other terms of the global carbon budget and compared to results of independent dynamic global vegetation models forced by observed climate, CO2 and land cover change (some including nitrogen–carbon interactions). All uncertainties are reported as ±1σ, reflecting the current capacity to characterise the annual estimates of each component of the global carbon budget. For the last decade available (2003–2012), EFF was 8.6 ± 0.4 GtC yr−1, ELUC 0.9 ± 0.5 GtC yr−1, GATM 4.3 ± 0.1 GtC yr−1, SOCEAN 2.5 ± 0.5 GtC yr−1, and SLAND 2.8 ± 0.8 GtC yr−1. For year 2012 alone, EFF grew to 9.7 ± 0.5 GtC yr−1, 2.2% above 2011, reflecting a continued growing trend in these emissions, GATM was 5.1 ± 0.2 GtC yr−1, SOCEAN was 2.9 ± 0.5 GtC yr−1, and assuming an ELUC of 1.0 ± 0.5 GtC yr−1 (based on the 2001–2010 average), SLAND was 2.7 ± 0.9 GtC yr−1. GATM was high in 2012 compared to the 2003–2012 average, almost entirely reflecting the high EFF. The global atmospheric CO2 concentration reached 392.52 ± 0.10 ppm averaged over 2012. We estimate that EFF will increase by 2.1% (1.1–3.1%) to 9.9 ± 0.5 GtC in 2013, 61% above emissions in 1990, based on projections of world gross domestic product and recent changes in the carbon intensity of the economy. With this projection, cumulative emissions of CO2 will reach about 535 ± 55 GtC for 1870–2013, about 70% from EFF (390 ± 20 GtC) and 30% from ELUC (145 ± 50 GtC). This paper also documents any changes in the methods and data sets used in this new carbon budget from previous budgets (Le Quéré et al., 2013). All observations presented here can be downloaded from the Carbon Dioxide Information Analysis Center (doi:10.3334/CDIAC/GCP_2013_V2.3).

Abstract The damming of rivers represents one of the most far-reaching human modifications of the flows of water and associated matter from land to sea. Dam reservoirs are hotspots of sediment accumulation, primary productivity ( P ) and carbon mineralization ( R ) along the river continuum. Here we show that for the period 1970–2030, global carbon mineralization in reservoirs exceeds carbon fixation ( P<R ); the global P/R ratio, however, varies significantly, from 0.20 to 0.58 because of the changing age distribution of dams. We further estimate that at the start of the twenty-first century, in-reservoir burial plus mineralization eliminated 4.0±0.9 Tmol per year (48±11 Tg C per year) or 13% of total organic carbon (OC) carried by rivers to the oceans. Because of the ongoing boom in dam building, in particular in emerging economies, this value could rise to 6.9±1.5 Tmol per year (83±18 Tg C per year) or 19% by 2030.

Abstract CO 2 evasion from rivers ( F CO 2 ) is an important component of the global carbon budget. Here we present the first global maps of CO 2 partial pressures ( p CO 2 ) in rivers of stream orders 3 and higher and the resulting F CO 2 at 0.5° resolution constructed with a statistical model. A geographic information system based approach is used to derive a p CO 2 prediction function trained on data from 1182 sampling locations. While data from Asia and Africa are scarce and the training data set is dominated by sampling locations from the Americas, Europe, and Australia, the sampling locations cover the full spectrum from high to low latitudes. The predictors of p CO 2 are net primary production, population density, and slope gradient within the river catchment as well as mean air temperature at the sampling location ( r 2 = 0.47). The predicted p CO 2 map was then combined with spatially explicit estimates of stream surface area A river and gas exchange velocity k calculated from published empirical equations and data sets to derive the F CO 2 map. Using Monte Carlo simulations, we assessed the uncertainties of our estimates. At the global scale, we estimate an average river p CO 2 of 2400 (2019–2826) µatm and a F CO 2 of 650 (483–846) Tg C yr −1 (5th and 95th percentiles of confidence interval). Our global CO 2 evasion is substantially lower than the recent estimate of 1800 Tg C yr −1 although the training set of p CO 2 is very similar in both studies, mainly due to lower tropical p CO 2 estimates in the present study. Our maps reveal strong latitudinal gradients in p CO 2 , A river , and F CO 2 . The zone between 10°N and 10°S contributes about half of the global CO 2 evasion. Collection of p CO 2 data in this zone, in particular, for African and Southeast Asian rivers is a high priority to reduce uncertainty on F CO 2 .

Silicon (Si), in the form of dissolved silicate (DSi), is a key nutrient in marine and continental ecosystems. DSi is taken up by organisms to produce structural elements (e.g., shells and phytoliths) composed of amorphous biogenic silica (bSiO 2 ). A global mass balance model of the biologically active part of the modern Si cycle is derived on the basis of a systematic review of existing data regarding terrestrial and oceanic production fluxes, reservoir sizes, and residence times for DSi and bSiO 2 . The model demonstrates the high sensitivity of biogeochemical Si cycling in the coastal zone to anthropogenic pressures, such as river damming and global temperature rise. As a result, further significant changes in the production and recycling of bSiO 2 in the coastal zone are to be expected over the course of this century.

Abstract. Past characterizations of the land–ocean continuum were constructed either from a continental perspective through an analysis of watershed river basin properties (COSCATs: COastal Segmentation and related CATchments) or from an oceanic perspective, through a regionalization of the proximal and distal continental margins (LMEs: large marine ecosystems). Here, we present a global-scale coastal segmentation, composed of three consistent levels, that includes the whole aquatic continuum with its riverine, estuarine and shelf sea components. Our work delineates comprehensive ensembles by harmonizing previous segmentations and typologies in order to retain the most important physical characteristics of both the land and shelf areas. The proposed multi-scale segmentation results in a distribution of global exorheic watersheds, estuaries and continental shelf seas among 45 major zones (MARCATS: MARgins and CATchments Segmentation) and 149 sub-units (COSCATs). Geographic and hydrologic parameters such as the surface area, volume and freshwater residence time are calculated for each coastal unit as well as different hypsometric profiles. Our analysis provides detailed insights into the distributions of coastal and continental shelf areas and how they connect with incoming riverine fluxes. The segmentation is also used to re-evaluate the global estuarine CO2 flux at the air–water interface combining global and regional average emission rates derived from local studies.

Abstract. We present a one-dimensional reactive transport model to estimate benthic fluxes of dissolved inorganic carbon (DIC) and alkalinity (AT) from coastal marine sediments. The model incorporates the transport processes of sediment accumulation, molecular diffusion, bioturbation and bioirrigation, while the reactions included are the redox pathways of organic carbon oxidation, re-oxidation of reduced nitrogen, iron and sulfur compounds, pore water acid-base equilibria, and dissolution of particulate inorganic carbon (calcite, aragonite, and Mg-calcite). The coastal zone is divided into four environmental units with different particulate inorganic carbon (PIC) and particulate organic carbon (POC) fluxes: reefs, banks and bays, carbonate shelves and non-carbonate shelves. Model results are analyzed separately for each environment and then scaled up to the whole coastal ocean. The model-derived estimate for the present-day global coastal benthic DIC efflux is 126 Tmol yr−1, based on a global coastal reactive POC depositional flux of 117 Tmol yr−1. The POC decomposition leads to a carbonate dissolution from shallow marine sediments of 7 Tmol yr−1 (on the order of 0.1 Pg C yr−1. Assuming complete re-oxidation of aqueous sulfide released from sediments, the effective net flux of alkalinity to the water column is 29 Teq. yr−1, primarily from PIC dissolution (46%) and ammonification (33%). Because our POC depositional flux falls in the high range of global values given in the literature, the reported DIC and alkalinity fluxes should be viewed as upper-bound estimates. Increasing coastal seawater DIC to what might be expected in year 2100 due to the uptake of anthropogenic CO2 increases PIC dissolution by 2.3 Tmol yr−1and alkalinity efflux by 4.8 Teq. yr−1. Our reactive transport modeling approach not only yields global estimates of benthic DIC, alkalinity and nutrient fluxes under variable scenarios of ocean productivity and chemistry, but also provides insights into the underlying processes.

It has been speculated that the partial pressure of carbon dioxide (pCO2) in shelf waters may lag the rise in atmospheric CO2. Here, we show that this is the case across many shelf regions, implying a tendency for enhanced shelf uptake of atmospheric CO2. This result is based on analysis of long-term trends in the air-sea pCO2 gradient (ΔpCO2) using a global surface ocean pCO2 database spanning a period of up to 35 years. Using wintertime data only, we find that ΔpCO2 increased in 653 of the 825 0.5° cells for which a trend could be calculated, with 325 of these cells showing a significant increase in excess of +0.5 μatm yr-1 (p < 0.05). Although noisier, the deseasonalized annual data suggest similar results. If this were a global trend, it would support the idea that shelves might have switched from a source to a sink of CO2 during the last century.