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.

Northern wetlands may be vulnerable to increased carbon losses from methane (CH4), a potent greenhouse gas, under current warming trends. However, the dynamic nature of open water inundation and wetting/drying patterns may constrain regional emissions, offsetting the potential magnitude of methane release. Here we conduct a satellite data driven model investigation of the combined effects of surface warming and moisture variability on high northern latitude (⩾45° N) wetland CH4 emissions, by considering (1) sub-grid scale changes in fractional water inundation (Fw) at 15 day, monthly and annual intervals using 25 km resolution satellite microwave retrievals, and (2) the impact of recent (2003–11) wetting/drying on northern CH4 emissions. The model simulations indicate mean summer contributions of 53 Tg CH4 yr−1 from boreal-Arctic wetlands. Approximately 10% and 16% of the emissions originate from open water and landscapes with emergent vegetation, as determined from respective 15 day Fw means or maximums, and significant increases in regional CH4 efflux were observed when incorporating satellite observed inundated land fractions into the model simulations at monthly or annual time scales. The satellite Fw record reveals widespread wetting across the Arctic continuous permafrost zone, contrasting with surface drying in boreal Canada, Alaska and western Eurasia. Arctic wetting and summer warming increased wetland emissions by 0.56 Tg CH4 yr−1 compared to the 2003–11 mean, but this was mainly offset by decreasing emissions (−0.38 Tg CH4 yr−1) in sub-Arctic areas experiencing surface drying or cooling. These findings underscore the importance of monitoring changes in surface moisture and temperature when assessing the vulnerability of boreal-Arctic wetlands to enhanced greenhouse gas emissions under a shifting climate.

Abstract Hydrologic cycle intensification is an expected manifestation of a warming climate. Although positive trends in several global average quantities have been reported, no previous studies have documented broad intensification across elements of the Arctic freshwater cycle (FWC). In this study, the authors examine the character and quantitative significance of changes in annual precipitation, evapotranspiration, and river discharge across the terrestrial pan-Arctic over the past several decades from observations and a suite of coupled general circulation models (GCMs). Trends in freshwater flux and storage derived from observations across the Arctic Ocean and surrounding seas are also described. With few exceptions, precipitation, evapotranspiration, and river discharge fluxes from observations and the GCMs exhibit positive trends. Significant positive trends above the 90% confidence level, however, are not present for all of the observations. Greater confidence in the GCM trends arises through lower interannual variability relative to trend magnitude. Put another way, intrinsic variability in the observations tends to limit confidence in trend robustness. Ocean fluxes are less certain, primarily because of the lack of long-term observations. Where available, salinity and volume flux data suggest some decrease in saltwater inflow to the Barents Sea (i.e., a decrease in freshwater outflow) in recent decades. A decline in freshwater storage across the central Arctic Ocean and suggestions that large-scale circulation plays a dominant role in freshwater trends raise questions as to whether Arctic Ocean freshwater flows are intensifying. Although oceanic fluxes of freshwater are highly variable and consistent trends are difficult to verify, the other components of the Arctic FWC do show consistent positive trends over recent decades. The broad-scale increases provide evidence that the Arctic FWC is experiencing intensification. Efforts that aim to develop an adequate observation system are needed to reduce uncertainties and to detect and document ongoing changes in all system components for further evidence of Arctic FWC intensification.

Abstract. Wetland emissions remain one of the principal sources of uncertainty in the global atmospheric methane (CH4) budget, largely due to poorly constrained process controls on CH4 production in waterlogged soils. Process-based estimates of global wetland CH4 emissions and their associated uncertainties can provide crucial prior information for model-based top-down CH4 emission estimates. Here we construct a global wetland CH4 emission model ensemble for use in atmospheric chemical transport models (WetCHARTs version 1.0). Our 0.5° × 0.5° resolution model ensemble is based on satellite-derived surface water extent and precipitation reanalyses, nine heterotrophic respiration simulations (eight carbon cycle models and a data-constrained terrestrial carbon cycle analysis) and three temperature dependence parameterizations for the period 2009–2010; an extended ensemble subset based solely on precipitation and the data-constrained terrestrial carbon cycle analysis is derived for the period 2001–2015. We incorporate the mean of the full and extended model ensembles into GEOS-Chem and compare the model against surface measurements of atmospheric CH4; the model performance (site-level and zonal mean anomaly residuals) compares favourably against published wetland CH4 emissions scenarios. We find that uncertainties in carbon decomposition rates and the wetland extent together account for more than 80 % of the dominant uncertainty in the timing, magnitude and seasonal variability in wetland CH4 emissions, although uncertainty in the temperature CH4 : C dependence is a significant contributor to seasonal variations in mid-latitude wetland CH4 emissions. The combination of satellite, carbon cycle models and temperature dependence parameterizations provides a physically informed structural a priori uncertainty that is critical for top-down estimates of wetland CH4 fluxes. Specifically, our ensemble can provide enhanced information on the prior CH4 emission uncertainty and the error covariance structure, as well as a means for using posterior flux estimates and their uncertainties to quantitatively constrain the biogeochemical process controls of global wetland CH4 emissions.

Abstract Increasing atmospheric methane (CH 4 ) concentrations have contributed to approximately 20% of anthropogenic climate change. Despite the importance of CH 4 as a greenhouse gas, its atmospheric growth rate and dynamics over the past two decades, which include a stabilization period (1999–2006), followed by renewed growth starting in 2007, remain poorly understood. We provide an updated estimate of CH 4 emissions from wetlands, the largest natural global CH 4 source, for 2000–2012 using an ensemble of biogeochemical models constrained with remote sensing surface inundation and inventory-based wetland area data. Between 2000–2012, boreal wetland CH 4 emissions increased by 1.2 Tg yr −1 (−0.2–3.5 Tg yr −1 ), tropical emissions decreased by 0.9 Tg yr −1 (−3.2−1.1 Tg yr −1 ), yet globally, emissions remained unchanged at 184 ± 22 Tg yr −1 . Changing air temperature was responsible for increasing high-latitude emissions whereas declines in low-latitude wetland area decreased tropical emissions; both dynamics are consistent with features of predicted centennial-scale climate change impacts on wetland CH 4 emissions. Despite uncertainties in wetland area mapping, our study shows that global wetland CH 4 emissions have not contributed significantly to the period of renewed atmospheric CH 4 growth, and is consistent with findings from studies that indicate some combination of increasing fossil fuel and agriculture-related CH 4 emissions, and a decrease in the atmospheric oxidative sink.

Tidal marshes play a globally critical role in carbon and hydrologic cycles by sequestering carbon dioxide from the atmosphere and exporting dissolved organic carbon to connected estuaries. These ecosystems provide critical habitat to a variety of fauna and also reduce coastal flood impacts. Accurate characterization of tidal marsh inundation dynamics is crucial for understanding these processes and ecosystem services. In this study, we developed remote sensing-based inundation classifications over a range of tidal stages for marshes of the Mid-Atlantic and Gulf of Mexico regions of the United States. Inundation products were derived from C-band and L-band synthetic aperture radar (SAR) imagery using backscatter thresholding and temporal change detection approaches. Inundation products were validated with in situ water level observations and radiometric modeling. The Michigan Microwave Canopy Scattering (MIMICS) radiometric model was used to simulate radar backscatter response for tidal marshes across a range of vegetation parameterizations and simulated hydrologic states. Our findings demonstrate that inundation classifications based on L-band SAR—developed using backscatter thresholding applied to single-date imagery—were comparable in accuracy to the best performing C-band SAR inundation classifications that required change detection approaches applied to time-series imagery (90.0% vs. 88.8% accuracy, respectively). L-band SAR backscatter threshold inundation products were also compared to polarimetric decompositions from quad-polarimetric Phased Array L-band Synthetic Aperture Radar 2 (PALSAR-2) and L-band Uninhabited Aerial Vehicle Synthetic Aperture Radar (UAVSAR) imagery. Polarimetric decomposition analysis showed a relative shift from volume and single-bounce scattering to double-bounce scattering in response to increasing tidal stage and associated increases in classified inundated area. MIMICS modeling similarly showed a relative shift to double-bounce scattering and a decrease in total backscatter in response to inundation. These findings have relevance to the upcoming NASA-ISRO Synthetic Aperture Radar (NISAR) mission, as threshold-based classifications of wetland inundation dynamics will be employed to verify that NISAR datasets satisfy associated mission science requirements to map wetland inundation with classification accuracies better than 80% at 1 hectare spatial scales.