Atmospheric general circulation models used for climate simulation and weather forecasting require the fluxes of radiation, heat, water vapor, and momentum across the land-atmosphere interface to be specified. These fluxes are calculated by submodels called land surface parameterizations. Over the last 20 years, these parameterizations have evolved from simple, unrealistic schemes into credible representations of the global soil-vegetation-atmosphere transfer system as advances in plant physiological and hydrological research, advances in satellite data interpretation, and the results of large-scale field experiments have been exploited. Some modern schemes incorporate biogeochemical and ecological knowledge and, when coupled with advanced climate and ocean models, will be capable of modeling the biological and physical responses of the Earth system to global change, for example, increasing atmospheric carbon dioxide.

Knowledge of carbon exchange between the atmosphere, land and the oceans is important, given that the terrestrial and marine environments are currently absorbing about half of the carbon dioxide that is emitted by fossil-fuel combustion. This carbon uptake is therefore limiting the extent of atmospheric and climatic change, but its long-term nature remains uncertain. Here we provide an overview of the current state of knowledge of global and regional patterns of carbon exchange by terrestrial ecosystems. Atmospheric carbon dioxide and oxygen data confirm that the terrestrial biosphere was largely neutral with respect to net carbon exchange during the 1980s, but became a net carbon sink in the 1990s. This recent sink can be largely attributed to northern extratropical areas, and is roughly split between North America and Eurasia. Tropical land areas, however, were approximately in balance with respect to carbon exchange, implying a carbon sink that offset emissions due to tropical deforestation. The evolution of the terrestrial carbon sink is largely the result of changes in land use over time, such as regrowth on abandoned agricultural land and fire prevention, in addition to responses to environmental changes, such as longer growing seasons, and fertilization by carbon dioxide and nitrogen. Nevertheless, there remain considerable uncertainties as to the magnitude of the sink in different regions and the contribution of different processes.

Information about regional carbon sources and sinks can be derived from variations in observed atmospheric CO2 concentrations via inverse modelling with atmospheric tracer transport models. A consensus has not yet been reached regarding the size and distribution of regional carbon fluxes obtained using this approach, partly owing to the use of several different atmospheric transport models. Here we report estimates of surface-atmosphere CO2 fluxes from an intercomparison of atmospheric CO2 inversion models (the TransCom 3 project), which includes 16 transport models and model variants. We find an uptake of CO2 in the southern extratropical ocean less than that estimated from ocean measurements, a result that is not sensitive to transport models or methodological approaches. We also find a northern land carbon sink that is distributed relatively evenly among the continents of the Northern Hemisphere, but these results show some sensitivity to transport differences among models, especially in how they respond to seasonal terrestrial exchange of CO2. Overall, carbon fluxes integrated over latitudinal zones are strongly constrained by observations in the middle to high latitudes. Further significant constraints to our understanding of regional carbon fluxes will therefore require improvements in transport models and expansion of the CO2 observation network within the tropics.

The Common Land Model (CLM) was developed for community use by a grassroots collaboration of scientists who have an interest in making a general land model available for public use and further development. The major model characteristics include enough unevenly spaced layers to adequately represent soil temperature and soil moisture, and a multilayer parameterization of snow processes; an explicit treatment of the mass of liquid water and ice water and their phase change within the snow and soil system; a runoff parameterization following the TOPMODEL concept; a canopy photo synthesis-conductance model that describes the simultaneous transfer of CO2 and water vapor into and out of vegetation; and a tiled treatment of the subgrid fraction of energy and water balance. CLM has been extensively evaluated in offline mode and coupling runs with the NCAR Community Climate Model (CCM3). The results of two offline runs, presented as examples, are compared with observations and with the simulation of three other land models [the Biosphere-Atmosphere Transfer Scheme (BATS), Bonan's Land Surface Model (LSM), and the 1994 version of the Chinese Academy of Sciences Institute of Atmospheric Physics LSM (IAP94)].

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 .

Monthly CO 2 fluxes are estimated across 1988–2003 for 22 emission regions using data from 78 CO 2 measurement sites. The same inversion (method, priors, data) is performed with 13 different atmospheric transport models, and the spread in the results is taken as a measure of transport model error. Interannual variability (IAV) in the winds is not modeled, so any IAV in the measurements is attributed to IAV in the fluxes. When both this transport error and the random estimation errors are considered, the flux IAV obtained is statistically significant at P ≤ 0.05 when the fluxes are grouped into land and ocean components for three broad latitude bands, but is much less so when grouped into continents and basins. The transport errors have the largest impact in the extratropical northern latitudes. A third of the 22 emission regions have significant IAV, including the Tropical East Pacific (with physically plausible uptake/release across the 1997–2000 El Niño/La Niña) and Tropical Asia (with strong release in 1997/1998 coinciding with large‐scale fires there). Most of the global IAV is attributed robustly to the tropical/southern land biosphere, including both the large release during the 1997/1998 El Niño and the post‐Pinatubo uptake.

Abstract This paper overviews the short‐term (biophysical) and long‐term (out to around 100 year timescales; biogeochemical and biogeographical) influences of the land surface on weather and climate. From our review of the literature, the evidence is convincing that terrestrial ecosystem dynamics on these timescales significantly influence atmospheric processes. In studies of past and possible future climate change, terrestrial ecosystem dynamics are as important as changes in atmospheric dynamics and composition, ocean circulation, ice sheet extent, and orbit perturbations.

The TransCom 3 experiment was begun to explore the estimation of carbon sources and sinks via the inversion of simulated tracer transport. We build upon previous TransCom work by presenting the seasonal inverse results which provide estimates of carbon flux for 11 land and 11 ocean regions using 12 atmospheric transport models. The monthly fluxes represent the mean seasonal cycle for the 1992 to 1996 time period. The spread among the model results is larger than the average of their estimated flux uncertainty in the northern extratropics and vice versa in the tropical regions. In the northern land regions, the model spread is largest during the growing season. Compared to a seasonally balanced biosphere prior flux generated by the CASA model, we find significant changes to the carbon exchange in the European region with greater growing season net uptake which persists into the fall months. Both Boreal North America and Boreal Asia show lessened net uptake at the onset of the growing season with Boreal Asia also exhibiting greater peak growing season net uptake. Temperate Asia shows a dramatic springward shift in the peak timing of growing season net uptake relative to the neutral CASA flux while Temperate North America exhibits a broad flattening of the seasonal cycle. In most of the ocean regions, the inverse fluxes exhibit much greater seasonality than that implied by the ΔpCO 2 derived fluxes though this may be due, in part, to misallocation of adjacent land flux. In the Southern Ocean, the austral spring and fall exhibits much less carbon uptake than implied by ΔpCO 2 derived fluxes. Sensitivity testing indicates that the inverse estimates are not overly influenced by the prior flux choices. Considerable agreement exists between the model mean, annual mean results of this study and that of the previously published TransCom annual mean inversion. The differences that do exist are in poorly constrained regions and tend to exhibit compensatory fluxes in order to match the global mass constraint. The differences between the estimated fluxes and the prior model over the northern land regions could be due to the prior model respiration response to temperature. Significant phase differences, such as that in the Temperate Asia region, may be due to the limited observations for that region. Finally, differences in the boreal land regions between the prior model and the estimated fluxes may be a reflection of the timing of spring thaw and an imbalance in respiration versus photosynthesis.

Precision requirements are determined for space‐based column‐averaged CO 2 dry air mole fraction data. These requirements result from an assessment of spatial and temporal gradients in the relationship between precision and surface CO 2 flux uncertainties inferred from inversions of the data, and the effects of biases on the fidelity of CO 2 flux inversions. Observational system simulation experiments and synthesis inversion modeling demonstrate that the Orbiting Carbon Observatory mission design and sampling strategy provide the means to achieve these data precision requirements.