From the earliest observations of ozone in the lower atmosphere in the 19th century, both measurement methods and the portion of the globe observed have evolved and changed. These methods have different uncertainties and biases, and the data records differ with respect to coverage (space and time), information content, and representativeness. In this study, various ozone measurement methods and ozone datasets are reviewed and selected for inclusion in the historical record of background ozone levels, based on relationship of the measurement technique to the modern UV absorption standard, absence of interfering pollutants, representativeness of the well-mixed boundary layer and expert judgement of their credibility. There are significant uncertainties with the 19th and early 20th-century measurements related to interference of other gases. Spectroscopic methods applied before 1960 have likely underestimated ozone by as much as 11% at the surface and by about 24% in the free troposphere, due to the use of differing ozone absorption coefficients. There is no unambiguous evidence in the measurement record back to 1896 that typical mid-latitude background surface ozone values were below about 20 nmol mol–1, but there is robust evidence for increases in the temperate and polar regions of the northern hemisphere of 30–70%, with large uncertainty, between the period of historic observations, 1896–1975, and the modern period (1990–2014). Independent historical observations from balloons and aircraft indicate similar changes in the free troposphere. Changes in the southern hemisphere are much less. Regional representativeness of the available observations remains a potential source of large errors, which are difficult to quantify. The great majority of validation and intercomparison studies of free tropospheric ozone measurement methods use ECC ozonesondes as reference. Compared to UV-absorption measurements they show a modest (~1–5% ±5%) high bias in the troposphere, but no evidence of a change with time. Umkehr, lidar, and FTIR methods all show modest low biases relative to ECCs, and so, using ECC sondes as a transfer standard, all appear to agree to within one standard deviation with the modern UV-absorption standard. Other sonde types show an increase of 5–20% in sensitivity to tropospheric ozone from 1970–1995. Biases and standard deviations of satellite retrieval comparisons are often 2–3 times larger than those of other free tropospheric measurements. The lack of information on temporal changes of bias for satellite measurements of tropospheric ozone is an area of concern for long-term trend studies.

Surface ozone is a greenhouse gas and pollutant detrimental to human health and crop and ecosystem productivity. The Tropospheric Ozone Assessment Report (TOAR) is designed to provide the research community with an up-to-date observation-based overview of tropospheric ozone’s global distribution and trends. The TOAR Surface Ozone Database contains ozone metrics at thousands of monitoring sites around the world, densely clustered across mid-latitude North America, western Europe and East Asia. Calculating regional ozone trends across these locations is challenging due to the uneven spacing of the monitoring sites across urban and rural areas. To meet this challenge we conducted a spatial and temporal trend analysis of several TOAR ozone metrics across these three regions for summertime (April–September) 2000–2014, using the generalized additive mixed model (GAMM). Our analysis indicates that East Asia has the greatest human and plant exposure to ozone pollution among investigating regions, with increasing ozone levels through 2014. The results also show that ozone mixing ratios continue to decline significantly over eastern North America and Europe, however, there is less evidence for decreases of daytime average ozone at urban sites. The present-day spatial coverage of ozone monitors in East Asia (South Korea and Japan) and eastern North America is adequate for estimating regional trends by simply taking the average of the individual trends at each site. However the European network is more sparsely populated across its northern and eastern regions and therefore a simple average of the individual trends at each site does not yield an accurate regional trend. This analysis demonstrates that the GAMM technique can be used to assess the regional representativeness of existing monitoring networks, indicating those networks for which a regional trend can be obtained by simply averaging the trends of all individual sites and those networks that require a more sophisticated statistical approach.

Recent aircraft observations show that tropospheric ozone increased above many Northern Hemisphere regions since the mid-1990s.

Abstract. High-quality long-term observational records are essential to ensure appropriate and reliable trend detection of tropospheric ozone. However, the necessity of maintaining high sampling frequency, in addition to continuity, is often under-appreciated. A common assumption is that, so long as long-term records (e.g., a span of a few decades) are available, (1) the estimated trends are accurate and precise, and (2) the impact of small-scale variability (e.g., weather) can be eliminated. In this study, we show that the undercoverage bias (e.g., a type of sampling error resulting from statistical inference based on sparse or insufficient samples, such as once-per-week sampling frequency) can persistently reduce the trend accuracy of free tropospheric ozone, even if multi-decadal time series are considered. We use over 40 years of nighttime ozone observations measured at Mauna Loa, Hawaii (representative of the lower free troposphere), to make this demonstration and quantify the bias in monthly means and trends under different sampling strategies. We also show that short-term meteorological variability remains a cause of an inflated long-term trend uncertainty. To improve the trend precision and accuracy due to sampling bias, two remedies are proposed: (1) a data variability attribution of colocated meteorological influence can efficiently reduce estimation uncertainty and moderately reduce the impact of sparse sampling, and (2) an adaptive sampling strategy based on anomaly detection enables us to greatly reduce the sampling bias and produce more accurate trends using fewer samples compared to an intense regular sampling strategy.

Abstract During summer 2023 Canada experienced its most intense wildfire season on record. Smoke plumes from these fires advected across the United States (U.S.) Upper Midwest, producing regional scale surface enhancements of PM 2.5 and ozone, as recorded by the U.S. surface monitoring network. These events are notable because they occurred early in the fire season (May 15‐June 30), and they produced the highest regional‐scale surface ozone levels ever recorded across the northern tier of the U.S. during early (May–June) or late (July‐August) summer. Specifically, the Upper Midwest 50th ozone percentile was greater than in any other year since 1995, when the ozone monitoring network had sufficient coverage to assess regional‐scale ozone levels; the 90th percentile was the highest since 2002. Satellite and aircraft measurements demonstrate the availability of ozone precursors and ozone production within the smoke plumes.

Abstract —J. Blunden and T. Boyer In 2023, La Niña conditions that generally prevailed in the eastern Pacific Ocean from mid-2020 into early 2023 gave way to a strong El Niño by October. Atmospheric concentrations of Earth’s major greenhouse gases—carbon dioxide, methane, and nitrous oxide—all increased to record-high levels. The annual global average carbon dioxide concentration in the atmosphere rose to 419.3±0.1 ppm, which is 50% greater than the pre-industrial level. The growth from 2022 to 2023 was 2.8 ppm, the fourth highest in the record since the 1960s. The combined short-term effects of El Niño and the long-term effects of increasing levels of heat-trapping gases in the atmosphere contributed to new records for many essential climate variables reported here. The annual global temperature across land and oceans was the highest in records dating as far back as 1850, with the last seven months (June–December) having each been record warm. Over land, the globally averaged temperature was also record high. Dozens of countries reported record or near-record warmth for the year, including China and continental Europe as a whole (warmest on record), India and Russia (second warmest), and Canada (third warmest). Intense and widespread heatwaves were reported around the world. In Vietnam, an all-time national maximum temperature record of 44.2°C was observed at Tuong Duong on 7 May, surpassing the previous record of 43.4°C at Huong Khe on 20 April 2019. In Brazil, the air temperature reached 44.8°C in Araçuaí in Minas Gerais on 20 November, potentially a new national record and 12.8°C above normal. The effect of rising temperatures was apparent in the cryosphere, where snow cover extent by June 2023 was the smallest in the 56-year record for North America and seventh smallest for the Northern Hemisphere overall. Heatwaves contributed to the greatest average mass balance loss for Alpine glaciers around the world since the start of the record in 1970. Due to rapid volume loss beginning in 2021, St. Anna Glacier in Switzerland and Ice Worm Glacier in the United States disappeared completely. In August, as a direct result of glacial thinning over the past 20 years, a glacial lake on a tributary of the Mendenhall Glacier in Alaska burst through its ice dam and caused unprecedented flooding on Mendenhall River near Juneau. Across the Arctic, the annual surface air temperature was the fourth highest in the 124-year record, and summer (July–September) was record warm. Smaller-than-normal snow cover extent in May and June contributed to the third-highest average peak tundra greenness in the 24-year record. In September, Arctic minimum sea ice extent was the fifth smallest in the 45-year satellite record. The 17 lowest September extents have all occurred in the last 17 years. In Antarctica, temperatures for much of the year were up to 6°C above average over the Weddell Sea and along coastal Dronning Maud Land. The Antarctic Peninsula also experienced well-above-average temperatures during the 2022/23 melt season, which contributed to its fourth consecutive summer of above-average surface melt. On 21 February, Antarctic sea ice extent and sea ice area both reached all-time lows, surpassing records set just a year earlier. Over the course of the year, new daily record-low sea ice extents were set on 278 days. In some instances, these daily records were set by a large margin, for example, the extent on 6 July was 1.8 million km 2 lower than the previous record low for that day. Across the global oceans, the annual sea surface temperature was the highest in the 170-year record, far surpassing the previous record of 2016 by 0.13°C. Daily and monthly records were set from March onward, including an historic-high daily global mean sea surface temperature of 18.99°C recorded on 22 August. Approximately 94% of the ocean surface experienced at least one marine heatwave in 2023, while 27% experienced at least one cold spell. Globally averaged ocean heat content from the surface to 2000-m depth was record high in 2023, increasing at a rate equivalent to ∼0.7 Watts per square meter of energy applied over Earth’s surface. Global mean sea level was also record high for the 12th consecutive year, reaching 101.4 mm above the 1993 average when satellite measurements began, an increase of 8.1±1.5 mm over 2022 and the third highest year-over-year increase in the record. A total of 82 named tropical storms were observed during the Northern and Southern Hemispheres’ storm seasons, below the 1991–2020 average of 87. Hurricane Otis became the strongest landfalling hurricane on record for the west coast of Mexico at 140 kt (72 m s −1 ), causing at least 52 fatalities and $12–16 billion U.S. dollars in damage. Freddy became the world’s longest-lived tropical cyclones on record, developing into a tropical cyclone on 6 February and finally dissipating on 12 March. Freddy crossed the full width of the Indian Ocean and made one landfall in Madagascar and two in Mozambique. In the Mediterranean Sea—outside of traditional tropical cyclone basins—heavy rains and flooding from Storm Daniel killed more than 4300 people and left more than 8000 missing in Libya. The record-warm temperatures in 2023 created conditions that helped intensify the hydrological cycle. Measurements of total-column water vapor in the atmosphere were the highest on record, while the fraction of cloud area in the sky was the lowest since records began in 1980. The annual global mean precipitation total over land surfaces for 2023 was among the lowest since 1979, but global one-day maximum totals were close to average, indicating an increase in rainfall intensity. In July, record-high areas of land across the globe (7.9%) experienced extreme drought, breaking the previous record of 6.2% in July 2022. Overall, 29.7% of land experienced moderate or worse categories of drought during the year, also a record. Mexico reported its driest (and hottest) year since the start of its record in 1950. In alignment with hot and prolonged dry conditions, Canada experienced its worst national wildfire season on record. Approximately 15 million hectares burned across the country, which was more than double the previous record from 1989. Smoke from the fires were transported far into the United States and even to western European countries. August to October 2023 was the driest three-month period in Australia in the 104-year record. Millions of hectares of bushfires burned for weeks in the Northern Territory. In South America, extreme drought developed in the latter half of the year through the Amazon basin. By the end of October, the Rio Negro at Manaus, a major tributary of the Amazon River, fell to its lowest water level since records began in 1902. The transition from La Niña to El Niño helped bring relief to the prolonged drought conditions in equatorial eastern Africa. However, El Niño along with positive Indian Ocean dipole conditions also contributed to excessive rainfall that resulted in devastating floods over southeastern Ethiopia, Somalia, and Kenya during October to December that displaced around 1.5 million people. On 5 September, the town of Zagora, Greece, broke a national record for highest daily rainfall (754 mm in 21 hours, after which the station ceased reporting) due to Storm Daniel; this one-day accumulation was close to Zagora’s normal annual total.