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.

A record of atmospheric CO 2 mixing ratios from 1006 A.D. to 1978 A.D. has been produced by analysing the air enclosed in three ice cores from Law Dome, Antarctica. The enclosed air has unparalleled age resolution and extends into recent decades, because of the high rate of snow accumulation at the ice core sites. The CO 2 data overlap with the record from direct atmospheric measurements for up to 20 years. The effects of diffusion in the firn on the CO 2 mixing ratio and age of the ice core air were determined by analyzing air sampled from the surface down to the bubble close‐off depth. The uncertainty of the ice core CO 2 mixing ratios is 1.2 ppm (1 σ). Preindustrial CO 2 mixing ratios were in the range 275–284 ppm, with the lower levels during 1550–1800 A.D., probably as a result of colder global climate. Natural CO 2 variations of this magnitude make it inappropriate to refer to a single preindustrial CO 2 level. Major CO 2 growth occurred over the industrial period except during 1935–1945 A.D. when CO 2 mixing ratios stabilized or decreased slightly, probably as a result of natural variations of the carbon cycle on a decadal timescale.

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.

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.

Measurements of midday vertical atmospheric CO 2 distributions reveal annual-mean vertical CO 2 gradients that are inconsistent with atmospheric models that estimate a large transfer of terrestrial carbon from tropical to northern latitudes. The three models that most closely reproduce the observed annual-mean vertical CO 2 gradients estimate weaker northern uptake of –1.5 petagrams of carbon per year (Pg C year –1 ) and weaker tropical emission of +0.1 Pg C year –1 compared with previous consensus estimates of –2.4 and +1.8 Pg C year –1 , respectively. This suggests that northern terrestrial uptake of industrial CO 2 emissions plays a smaller role than previously thought and that, after subtracting land-use emissions, tropical ecosystems may currently be strong sinks for CO 2 .

We present measurements of the stable carbon isotope ratio in air extracted from Antarctic ice core and firn samples. The same samples were previously used by Etheridge and co-workers to construct a high precision 1000-year record of atmospheric CO₂ concentration, featuring a close link between the ice and modern records and high-time resolution. Here, we start by confirming the trend in the Cape Grim in situ δ¹³C record from 1982 to 1996, and extend it back to 1978 using the Cape Grim Air Archive. The firn air δ¹³C agrees with the Cape Grim record, but only after correction for gravitational separation at depth, for diffusion effects associated with disequilibrium between the atmosphere and firm, and allowance for a latidudinal gradient in δ¹³C between Cape Grim and the Antarctic coast. Complex calibration strategies are required to cope with several additional systematic influences on the ice core δ¹³C record. Errors are assigned to each ice core value to reflect statistical and systematic biases (between ± 0.025‰ and ± 0.07‰); uncertainties (of up to ± 0.05‰) between core-versus-core, ice-versus-firn and firn-versus-troposphere are described separately. An almost continuous atmospheric history of δ¹³C over 1000 years results, exhibiting significant decadal-to-century scale variability unlike that from earlier proxy records. The decrease in δ¹³C from 1860 to 1960 involves a series of steps confirming enhanced sensitivity of δ¹³C to decadal timescale-forcing, compared to the CO₂ record. Synchronous with a ‘Little Ice Age’’ CO₂ decrease, an enhancement of δ¹³C implies a terrestrial response to cooler temperatures. Between 1200 AD and 1600 AD, the atmospheric δ¹³C appear stable.

New measurements of atmospheric greenhouse gas concentrations in ice from Law Dome, Antarctica reproduce published Law Dome CO 2 and CH 4 records, extend them back to 2000 years BP, and include N 2 O. They have very high air age resolution, data density and measurement precision. Firn air measurements span the past 65 years and overlap with the ice core and direct atmospheric observations. Major increases in CO 2 , CH 4 and N 2 O concentrations during the past 200 years followed a period of relative stability beforehand. Decadal variations during the industrial period include the stabilization of CO 2 and slowing of CH 4 and N 2 O growth in the 1940s and 1950s. Variations of up to 10 ppm CO 2 , 40 ppb CH 4 and 10 ppb N 2 O occurred throughout the preindustrial period. Methane concentrations grew by 100 ppb from AD 0 to 1800, possibly due to early anthropogenic emissions.

Atmospheric methane mixing ratios from 1000 A.D. to present are measured in three Antarctic ice cores, two Greenland ice cores, the Antarctic firn layer, and archived air from Tasmania, Australia. The record is unified by using the same measurement procedure and calibration scale for all samples and by ensuring high age resolution and accuracy of the ice core and firn air. In this way, methane mixing ratios, growth rates, and interpolar differences are accurately determined. From 1000 to 1800 A.D. the global mean methane mixing ratio averaged 695 ppb and varied about 40 ppb, contemporaneous with climatic variations. Interpolar (N‐S) differences varied between 24 and 58 ppb. The industrial period is marked by high methane growth rates from 1945 to 1990, peaking at about 17 ppb yr −1 in 1981 and decreasing significantly since. We calculate an average total methane source of 250 Tg yr −1 for 1000–1800 A.D., reaching near stabilization at about 560 Tg yr −1 in the 1980s and 1990s. The isotopic ratio, δ 13 CH 4 , measured in the archived air and firn air, increased since 1978 but the rate of increase slowed in the mid‐1980s. The combined CH 4 and δ 13 CH 4 trends support the stabilization of the total CH 4 source.