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.

Abstract. There is a growing consensus that land surface models (LSMs) that simulate terrestrial biosphere exchanges of matter and energy must be better constrained with data to quantify and address their uncertainties. FLUXNET, an international network of sites that measure the land surface exchanges of carbon, water and energy using the eddy covariance technique, is a prime source of data for model improvement. Here we outline a multi-stage process for "fusing" (i.e. linking) LSMs with FLUXNET data to generate better models with quantifiable uncertainty. First, we describe FLUXNET data availability, and its random and systematic biases. We then introduce methods for assessing LSM model runs against FLUXNET observations in temporal and spatial domains. These assessments are a prelude to more formal model-data fusion (MDF). MDF links model to data, based on error weightings. In theory, MDF produces optimal analyses of the modelled system, but there are practical problems. We first discuss how to set model errors and initial conditions. In both cases incorrect assumptions will affect the outcome of the MDF. We then review the problem of equifinality, whereby multiple combinations of parameters can produce similar model output. Fusing multiple independent and orthogonal data provides a means to limit equifinality. We then show how parameter probability density functions (PDFs) from MDF can be used to interpret model validity, and to propagate errors into model outputs. Posterior parameter distributions are a useful way to assess the success of MDF, combined with a determination of whether model residuals are Gaussian. If the MDF scheme provides evidence for temporal variation in parameters, then that is indicative of a critical missing dynamic process. A comparison of parameter PDFs generated with the same model from multiple FLUXNET sites can provide insights into the concept and validity of plant functional types (PFT) – we would expect similar parameter estimates among sites sharing a single PFT. We conclude by identifying five major model-data fusion challenges for the FLUXNET and LSM communities: (1) to determine appropriate use of current data and to explore the information gained in using longer time series; (2) to avoid confounding effects of missing process representation on parameter estimation; (3) to assimilate more data types, including those from earth observation; (4) to fully quantify uncertainties arising from data bias, model structure, and initial conditions problems; and (5) to carefully test current model concepts (e.g. PFTs) and guide development of new concepts.

We report a 2000-year Antarctic ice-core record of stable carbon isotope measurements in atmospheric methane (delta13CH4). Large delta13CH4 variations indicate that the methane budget varied unexpectedly during the late preindustrial Holocene (circa 0 to 1700 A.D.). During the first thousand years (0 to 1000 A.D.), delta13CH4 was at least 2 per mil enriched compared to expected values, and during the following 700 years, an about 2 per mil depletion occurred. Our modeled methane source partitioning implies that biomass burning emissions were high from 0 to 1000 A.D. but reduced by almost approximately 40% over the next 700 years. We suggest that both human activities and natural climate change influenced preindustrial biomass burning emissions and that these emissions have been previously understated in late preindustrial Holocene methane budget research.

We present new measurements of δ 13 C of CO 2 extracted from a high‐resolution ice core from Law Dome (East Antarctica), together with firn measurements performed at Law Dome and South Pole, covering the last 150 years. Our analysis is motivated by the need to better understand the role and feedback of the carbon (C) cycle in climate change, by advances in measurement methods, and by apparent anomalies when comparing ice core and firn air δ 13 C records from Law Dome and South Pole. We demonstrate improved consistency between Law Dome ice, South Pole firn, and the Cape Grim (Tasmania) atmospheric δ 13 C data, providing evidence that our new record reliably extends direct atmospheric measurements back in time. We also show a revised version of early δ 13 C measurements covering the last 1000 years, with a mean preindustrial level of −6.50‰. Finally, we use a Kalman Filter Double Deconvolution to infer net natural CO 2 fluxes between atmosphere, ocean, and land, which cause small δ 13 C deviations from the predominant anthropogenically induced δ 13 C decrease. The main features found from the previous δ 13 C record are confirmed, including the ocean as the dominant cause for the 1940 A.D. CO 2 leveling. Our new record provides a solid basis for future investigation of the causes of decadal to centennial variations of the preindustrial atmospheric CO 2 concentration. Those causes are of potential significance for predicting future CO 2 levels and when attempting atmospheric verification of recent and future global carbon emission mitigation measures through Coupled Climate Carbon Cycle Models.

Abstract. The Community Atmosphere–Biosphere Land Exchange model (CABLE) is a land surface model (LSM) that can be applied stand-alone and provides the land surface–atmosphere exchange within the Australian Community Climate and Earth System Simulator (ACCESS). We describe new developments that extend the applicability of CABLE for regional and global carbon–climate simulations, accounting for vegetation responses to biophysical and anthropogenic forcings. A land use and land cover change module driven by gross land use transitions and wood harvest area was implemented, tailored to the needs of the Coupled Model Intercomparison Project 6 (CMIP6). Novel aspects include the treatment of secondary woody vegetation, which benefits from a tight coupling between the land use module and the Population Orders Physiology (POP) module for woody demography and disturbance-mediated landscape heterogeneity. Land use transitions and harvest associated with secondary forest tiles modify the annually resolved patch age distribution within secondary vegetated tiles, in turn affecting biomass accumulation and turnover rates and hence the magnitude of the secondary forest sink. Additionally, we implemented a novel approach to constrain modelled GPP consistent with the coordination hypothesis and predicted by evolutionary theory, which suggests that electron-transport- and Rubisco-limited rates adjust seasonally and across biomes to be co-limiting. We show that the default prior assumption – common to CABLE and other LSMs – of a fixed ratio of electron transport to carboxylation capacity at standard temperature (Jmax, 0∕Vcmax, 0) is at odds with this hypothesis; we implement an alternative algorithm for dynamic optimisation of this ratio such that coordination is achieved as an outcome of fitness maximisation. The results have significant implications for the magnitude of the simulated CO2 fertilisation effect on photosynthesis in comparison to alternative estimates and observational proxies. These new developments enhance CABLE's capability for use within an Earth system model and in stand-alone applications to attribute trends and variability in the terrestrial carbon cycle to regions, processes and drivers. Model evaluation shows that the new model version satisfies several key observational constraints: (i) trend and interannual variations in the global land carbon sink, including sensitivities of interannual variations to global precipitation and temperature anomalies; (ii) centennial trends in global GPP; (iii) coordination of Rubisco-limited and electron-transport-limited photosynthesis; (iv) spatial distributions of global ET, GPP, biomass and soil carbon; and (v) age-dependent rates of biomass accumulation in boreal, temperate and tropical secondary forests. CABLE simulations agree with recent independent assessments of the global land–atmosphere flux partition that use a combination of atmospheric inversions and bottom-up constraints. In particular, there is agreement that the strong CO2-driven sink in the tropics is largely cancelled by net deforestation and forest degradation emissions, leaving the Northern Hemisphere (NH) extratropics as the dominant contributor to the net land sink.

Abstract. The isotopic composition of carbon (Δ14C and δ13C) in atmospheric CO2 and in oceanic and terrestrial carbon reservoirs is influenced by anthropogenic emissions and by natural carbon exchanges, which can respond to and drive changes in climate. Simulations of 14C and 13C in the ocean and terrestrial components of Earth system models (ESMs) present opportunities for model evaluation and for investigation of carbon cycling, including anthropogenic CO2 emissions and uptake. The use of carbon isotopes in novel evaluation of the ESMs' component ocean and terrestrial biosphere models and in new analyses of historical changes may improve predictions of future changes in the carbon cycle and climate system. We compile existing data to produce records of Δ14C and δ13C in atmospheric CO2 for the historical period 1850–2015. The primary motivation for this compilation is to provide the atmospheric boundary condition for historical simulations in the Coupled Model Intercomparison Project 6 (CMIP6) for models simulating carbon isotopes in the ocean or terrestrial biosphere. The data may also be useful for other carbon cycle modelling activities.