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. 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.

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 .

This paper documents a global Bayesian variational inversion of CO 2 surface fluxes during the period 1988–2008. Weekly fluxes are estimated on a 3.75° × 2.5° (longitude‐latitude) grid throughout the 21 years. The assimilated observations include 128 station records from three large data sets of surface CO 2 mixing ratio measurements. A Monte Carlo approach rigorously quantifies the theoretical uncertainty of the inverted fluxes at various space and time scales, which is particularly important for proper interpretation of the inverted fluxes. Fluxes are evaluated indirectly against two independent CO 2 vertical profile data sets constructed from aircraft measurements in the boundary layer and in the free troposphere. The skill of the inversion is evaluated by the improvement brought over a simple benchmark flux estimation based on the observed atmospheric growth rate. Our error analysis indicates that the carbon budget from the inversion should be more accurate than the a priori carbon budget by 20% to 60% for terrestrial fluxes aggregated at the scale of subcontinental regions in the Northern Hemisphere and over a year, but the inversion cannot clearly distinguish between the regional carbon budgets within a continent. On the basis of the independent observations, the inversion is seen to improve the fluxes compared to the benchmark: the atmospheric simulation of CO 2 with the Bayesian inversion method is better by about 1 ppm than the benchmark in the free troposphere, despite possible systematic transport errors. The inversion achieves this improvement by changing the regional fluxes over land at the seasonal and at the interannual time scales.

Abstract. The Total Carbon Column Observing Network (TCCON) produces precise measurements of the column average dry-air mole fractions of CO2, CO, CH4, N2O and H2O at a variety of sites worldwide. These observations rely on spectroscopic parameters that are not known with sufficient accuracy to compute total columns that can be used in combination with in situ measurements. The TCCON must therefore be calibrated to World Meteorological Organization (WMO) in situ trace gas measurement scales. We present a calibration of TCCON data using WMO-scale instrumentation aboard aircraft that measured profiles over four TCCON stations during 2008 and 2009. These calibrations are compared with similar observations made in 2004 and 2006. The results indicate that a single, global calibration factor for each gas accurately captures the TCCON total column data within error.

Abstract New automated observation systems for use in passenger aircraft to measure atmospheric carbon dioxide (CO2) and other trace species have been developed and are described in this paper. The Continuous CO2 Measuring Equipment (CME) is composed mainly of a nondispersive infrared analyzer, a datalogger, and two calibration cylinders for in situ CO2 measurements. The Automatic Air Sampling Equipment (ASE), on the other hand, is designed for flask sampling; the instrument, connected to a metal bellows pump, is made up of a specially designed control board and can accommodate 12 flasks. The CME platform can be used to conduct high-frequency measurements of CO2 for obtaining a detailed spatial observation over a wide area, while ASE, despite the limited flight frequency, can provide useful distributions not only of CO2 but also various trace gas species, as well as their isotopic ratios. ASE and CME are installed on the racks in the forward cargo compartment of the aircraft and the air bypass intake is mounted on the air-conditioning duct upstream of the recirculation fan. Both sets of sampling equipment are automatically controlled through input of relevant flight parameters from the aircraft data system. Their deployment in a Boeing 747-400 aircraft was approved by the aviation regulatory agencies in the United States and Japan through issuance of the supplemental type certificate (STC), while the approval for installation of CME in a Boeing 777-200ER was also obtained via STC. First measurement results of CO2 variations obtained by CME and ASE deployed on Japan Airlines (JAL) aircraft are reported herein.

Abstract Rising Arctic temperatures pose a threat to the large carbon stores trapped in Arctic permafrost. To assess methane emissions in high‐Arctic regions, we analyzed atmospheric data from Alaska and Siberia using two methods: (a) a wind sector approach to calculate emission changes based on concentration enhancements using wind direction, and (b) an inversion method utilizing a high‐resolution atmospheric transport model. Incorporating data after 2015, we observed a significant rise in methane emissions (0.018 ± 0.005 Tg yr −2 from 2000 to 2021) from Alaska's North Slope, indicating a shift from previous analyses. We find 34%–50% of yearly emissions occurred in the late season (September–December) consistently across multiple years and regions, which is historically underestimated in models and inventories. Our findings reveal significant changes occurring in the Arctic, highlighting the crucial role of long‐term atmospheric measurements in monitoring the region, especially during the cold season.

© 2024 American Meteorological Society. This is an Author Accepted Manuscript distributed under the terms of the default AMS reuse license. For information regarding reuse and general copyright information, consult the AMS Copyright Policy (www.ametsoc.org/PUBSReuseLicenses). Corresponding author: Hiroshi Tanimoto, tanimoto@nies.go.jp