• Energy Research

AbstractSavanna ecosystems comprise 22% of the global terrestrial surface and 25% of Australia (almost 1.9 million km2) and provide significant ecosystem services through carbon and water cycles and the maintenance of biodiversity. The current structure, composition and distribution of Australian savannas have coevolved with fire, yet remain driven by the dynamic constraints of their bioclimatic niche. Fire in Australian savannas influences both the biophysical and biogeochemical processes at multiple scales from leaf to landscape. Here, we present the latest emission estimates from Australian savanna biomass burning and their contribution to global greenhouse gas budgets. We then review our understanding of the impacts of fire on ecosystem function and local surface water and heat balances, which in turn influence regional climate. We show how savanna fires are coupled to the global climate through the carbon cycle and fire regimes. We present new research that climate change is likely to alter the structure and function of savannas through shifts in moisture availability and increases in atmospheric carbon dioxide, in turn altering fire regimes with further feedbacks to climate. We explore opportunities to reduce net greenhouse gas emissions from savanna ecosystems through changes in savanna fire management.

AbstractThe purpose of this study was to evaluate 10 process‐based terrestrial biosphere models that were used for the IPCC fifth Assessment Report. The simulated gross primary productivity (GPP) is compared with flux‐tower‐based estimates by Jung et al. [Journal of Geophysical Research 116 (2011) G00J07] (JU11). The net primary productivity (NPP) apparent sensitivity to climate variability and atmospheric CO2 trends is diagnosed from each model output, using statistical functions. The temperature sensitivity is compared against ecosystem field warming experiments results. The CO2 sensitivity of NPP is compared to the results from four Free‐Air CO2 Enrichment (FACE) experiments. The simulated global net biome productivity (NBP) is compared with the residual land sink (RLS) of the global carbon budget from Friedlingstein et al. [Nature Geoscience 3 (2010) 811] (FR10). We found that models produce a higher GPP (133 ± 15 Pg C yr−1) than JU11 (118 ± 6 Pg C yr−1). In response to rising atmospheric CO2 concentration, modeled NPP increases on average by 16% (5–20%) per 100 ppm, a slightly larger apparent sensitivity of NPP to CO2 than that measured at the FACE experiment locations (13% per 100 ppm). Global NBP differs markedly among individual models, although the mean value of 2.0 ± 0.8 Pg C yr−1 is remarkably close to the mean value of RLS (2.1 ± 1.2 Pg C yr−1). The interannual variability in modeled NBP is significantly correlated with that of RLS for the period 1980–2009. Both model‐to‐model and interannual variation in model GPP is larger than that in model NBP due to the strong coupling causing a positive correlation between ecosystem respiration and GPP in the model. The average linear regression slope of global NBP vs. temperature across the 10 models is −3.0 ± 1.5 Pg C yr−1 °C−1, within the uncertainty of what derived from RLS (−3.9 ± 1.1 Pg C yr−1 °C−1). However, 9 of 10 models overestimate the regression slope of NBP vs. precipitation, compared with the slope of the observed RLS vs. precipitation. With most models lacking processes that control GPP and NBP in addition to CO2 and climate, the agreement between modeled and observation‐based GPP and NBP can be fortuitous. Carbon–nitrogen interactions (only separable in one model) significantly influence the simulated response of carbon cycle to temperature and atmospheric CO2 concentration, suggesting that nutrients limitations should be included in the next generation of terrestrial biosphere models.

Résumé. Un système d'observation et d'analyse du carbone intégré à l'échelle mondiale est nécessaire pour améliorer la compréhension fondamentale du cycle mondial du carbone, pour améliorer notre capacité à projeter les changements futurs et pour vérifier l'efficacité des politiques visant à réduire les émissions de gaz à effet de serre et à augmenter la séquestration du carbone. La construction d'un système intégré d'observation du carbone nécessite des avancées transformationnelles du cadre exploratoire clairsemé existant vers un système dense, robuste et durable dans toutes ses composantes : les émissions anthropiques, l'atmosphère, l'océan et la biosphère terrestre. L'objectif de cette étude est d'identifier l'état actuel des observations de carbone et les besoins d'un système mondial intégré d'observation du carbone qui peut être construit au cours de la prochaine décennie. Une conclusion clé est l'expansion substantielle (de plusieurs ordres de grandeur) des réseaux d'observation au sol nécessaires pour atteindre la haute résolution spatiale pour les flux de CO2 et de CH4 et pour les stocks de carbone afin de répondre aux objectifs politiques pertinents et d'attribuer les changements de flux aux processus sous-jacents dans chaque région. Afin d'établir des diagnostics de flux et de stocks sur des zones éloignées telles que les océans du sud, les forêts tropicales et l'Arctique, les observations in situ devront être complétées par des mesures de télédétection. La télédétection offre l'avantage d'une couverture spatiale dense et de revisites fréquentes. Un défi clé consiste à amener les mesures de télédétection à un niveau de cohérence et de précision à long terme afin qu'elles puissent être efficacement combinées dans des modèles pour réduire les incertitudes, en synergie avec les données au sol. Apporter des contraintes d'observation strictes sur les émissions de combustibles fossiles et de changement d'affectation des terres sera le plus grand défi pour le déploiement d'un système intégré d'observation du carbone pertinent pour les politiques. Cela nécessitera des données in situ et de télédétection à une résolution et une densité beaucoup plus élevées que celles actuellement atteintes pour les flux naturels, bien que sur une petite superficie (villes, sites industriels, centrales électriques), ainsi que l'inclusion de mesures indirectes de CO2 de combustibles fossiles telles que le radiocarbone dans les traceurs de combustion de CO2 et de carbone. En outre, un système de surveillance du carbone pertinent pour les politiques devrait également fournir des mécanismes pour concilier les estimations des flux régionaux descendants (basés sur l'atmosphère) et ascendants (basés sur la surface) sur toute la gamme des échelles spatiales et temporelles pertinentes pour les politiques d'atténuation. Le succès du système reposera sur des engagements à long terme en matière de suivi, sur une meilleure collaboration internationale pour combler les lacunes dans les observations actuelles, sur des efforts soutenus pour améliorer l'accès aux différents flux de données et rendre les bases de données interopérables, et sur l'étalonnage de chaque composante du système à des échelles internationales convenues. Resumen. Se necesita un sistema de observación y análisis de carbono integrado a nivel mundial para mejorar la comprensión fundamental del ciclo global del carbono, para mejorar nuestra capacidad de proyectar cambios futuros y para verificar la efectividad de las políticas destinadas a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y aumentar el secuestro de carbono. Construir un sistema integrado de observación de carbono requiere avances transformacionales desde el marco exploratorio escaso existente hacia un sistema denso, robusto y sostenido en todos los componentes: las emisiones antropogénicas, la atmósfera, el océano y la biosfera terrestre. El objetivo de este estudio es identificar el estado actual de las emisiones de carbono y las necesidades de un sistema global integrado de emisiones de carbono que pueda construirse en la próxima década. Una conclusión clave es la expansión sustancial (en varios órdenes de magnitud) de las redes de observación terrestres necesarias para alcanzar la alta resolución espacial para los flujos de CO2 y CH4, y para las reservas de carbono para abordar los objetivos relevantes para las políticas y atribuir los cambios de flujo a los procesos subyacentes en cada región. Para establecer diagnósticos de flujo y stock en áreas remotas como los océanos del sur, los bosques tropicales y el Ártico, las observaciones in situ deberán complementarse con mediciones de teledetección. La teledetección ofrece la ventaja de una cobertura espacial densa y una revisión frecuente. Un desafío clave es llevar las mediciones de teledetección a un nivel de consistencia y precisión a largo plazo para que puedan combinarse de manera eficiente en modelos para reducir las incertidumbres, en sinergia con los datos basados en tierra. Traer restricciones observacionales estrictas sobre las emisiones de combustibles fósiles y el cambio en el uso de la tierra será el mayor desafío para el despliegue de un sistema integrado de observación de carbono relevante para las políticas. Esto requerirá datos in situ y teledetectados con una resolución y densidad mucho más altas que las que se logran actualmente para los flujos naturales, aunque en una pequeña superficie de tierra (ciudades, sitios industriales, centrales eléctricas), así como la inclusión de mediciones indirectas de CO2 de combustibles fósiles, como el radiocarbono en CO2 y los trazadores de combustión de combustibles de carbono. Además, un sistema de monitoreo de carbono relevante para las políticas también debe proporcionar mecanismos para conciliar las estimaciones regionales de flujo de arriba hacia abajo (basadas en la atmósfera) y de abajo hacia arriba (basadas en la superficie) en toda la gama de escalas espaciales y temporales relevantes para las políticas de mitigación. El éxito del sistema dependerá de los compromisos a largo plazo con el monitoreo, de una mejor colaboración internacional para llenar los vacíos en las observaciones actuales, de esfuerzos sostenidos para mejorar el acceso a los diferentes flujos de datos y hacer que las bases de datos sean interoperables, y de la calibración de cada componente del sistema a escalas internacionales acordadas. Abstract. A globally integrated carbon observation and analysis system is needed to improve the fundamental understanding of the global carbon cycle, to improve our ability to project future changes, and to verify the effectiveness of policies aiming to reduce greenhouse gas emissions and increase carbon sequestration. Building an integrated carbon observation system requires transformational advances from the existing sparse, exploratory framework towards a dense, robust, and sustained system in all components: anthropogenic emissions, the atmosphere, the ocean, and the terrestrial biosphere. The goal of this study is to identify the current state of carbon observations and needs for a global integrated carbon observation system that can be built in the next decade. A key conclusion is the substantial expansion (by several orders of magnitude) of the ground-based observation networks required to reach the high spatial resolution for CO2 and CH4 fluxes, and for carbon stocks for addressing policy relevant objectives, and attributing flux changes to underlying processes in each region. In order to establish flux and stock diagnostics over remote areas such as the southern oceans, tropical forests and the Arctic, in situ observations will have to be complemented with remote-sensing measurements. Remote sensing offers the advantage of dense spatial coverage and frequent revisit. A key challenge is to bring remote sensing measurements to a level of long-term consistency and accuracy so that they can be efficiently combined in models to reduce uncertainties, in synergy with ground-based data. Bringing tight observational constraints on fossil fuel and land use change emissions will be the biggest challenge for deployment of a policy-relevant integrated carbon observation system. This will require in-situ and remotely sensed data at much higher resolution and density than currently achieved for natural fluxes, although over a small land area (cities, industrial sites, power plants), as well as the inclusion of fossil fuel CO2 proxy measurements such as radiocarbon in CO2 and carbon-fuel combustion tracers. Additionally, a policy relevant carbon monitoring system should also provide mechanisms for reconciling regional top-down (atmosphere-based) and bottom-up (surface-based) flux estimates across the range of spatial and temporal scales relevant to mitigation policies. The success of the system will rely on long-term commitments to monitoring, on improved international collaboration to fill gaps in the current observations, on sustained efforts to improve access to the different data streams and make databases inter-operable, and on the calibration of each component of the system to agreed-upon international scales. الخلاصة. هناك حاجة إلى نظام متكامل عالميًا لمراقبة الكربون وتحليله لتحسين الفهم الأساسي لدورة الكربون العالمية، وتحسين قدرتنا على توقع التغييرات المستقبلية، والتحقق من فعالية السياسات التي تهدف إلى الحد من انبعاثات غازات الدفيئة وزيادة عزل الكربون. يتطلب بناء نظام متكامل لمراقبة الكربون تقدمًا تحويليًا من الإطار الاستكشافي المتناثر الحالي نحو نظام كثيف وقوي ومستدام في جميع المكونات: الانبعاثات البشرية المنشأ والغلاف الجوي والمحيطات والمحيط الحيوي الأرضي. الهدف من هذه الدراسة هو تحديد الوضع الحالي لملاحظات الكربون والاحتياجات لنظام عالمي متكامل لمراقبة الكربون يمكن بناؤه في العقد المقبل. الاستنتاج الرئيسي هو التوسع الكبير (بعدة مرات من حيث الحجم) لشبكات المراقبة الأرضية المطلوبة للوصول إلى الاستبانة المكانية العالية لتدفقات ثاني أكسيد الكربون والميثان، ولمخزونات الكربون لمعالجة الأهداف ذات الصلة بالسياسات، وعزو تغييرات التدفق إلى العمليات الأساسية في كل منطقة. من أجل إنشاء تشخيصات التدفق والأرصدة في المناطق النائية مثل المحيطات الجنوبية والغابات الاستوائية والقطب الشمالي، يجب استكمال الملاحظات في الموقع بقياسات الاستشعار عن بعد. يوفر الاستشعار عن بعد ميزة التغطية المكانية الكثيفة وإعادة الزيارة المتكررة. ويتمثل أحد التحديات الرئيسية في الوصول بقياسات الاستشعار عن بعد إلى مستوى من الاتساق والدقة على المدى الطويل بحيث يمكن دمجها بكفاءة في نماذج للحد من أوجه عدم اليقين، بالتآزر مع البيانات الأرضية. سيكون فرض قيود صارمة على مراقبة الوقود الأحفوري وانبعاثات تغير استخدام الأراضي هو التحدي الأكبر أمام نشر نظام متكامل لمراقبة الكربون ذي صلة بالسياسات. وسيتطلب ذلك بيانات في الموقع ومستشعرة عن بعد بدقة وكثافة أعلى بكثير مما هو متحقق حاليًا للتدفقات الطبيعية، على الرغم من أنها على مساحة أرض صغيرة (المدن والمواقع الصناعية ومحطات الطاقة)، بالإضافة إلى تضمين قياسات وكيل ثاني أكسيد الكربون للوقود الأحفوري مثل الكربون المشع في ثاني أكسيد الكربون وتتبع احتراق الوقود الكربوني. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن يوفر نظام رصد الكربون ذي الصلة بالسياسة أيضًا آليات للتوفيق بين تقديرات التدفق الإقليمية من أعلى إلى أسفل (القائمة على الغلاف الجوي) ومن أسفل إلى أعلى (السطحية) عبر نطاق المقاييس المكانية والزمنية ذات الصلة بسياسات التخفيف. سيعتمد نجاح النظام على الالتزامات طويلة الأجل بالرصد، وعلى تحسين التعاون الدولي لسد الثغرات في الملاحظات الحالية، وعلى الجهود المستمرة لتحسين الوصول إلى تدفقات البيانات المختلفة وجعل قواعد البيانات قابلة للتشغيل المتبادل، وعلى معايرة كل مكون من مكونات النظام وفقًا للنطاقات الدولية المتفق عليها.

Carbon dioxide (CO _2 ) emissions from fossil fuels and industry comprise ~90% of all CO _2 emissions from human activities. For the last three years, such emissions were stable, despite continuing growth in the global economy. Many positive trends contributed to this unique hiatus, including reduced coal use in China and elsewhere, continuing gains in energy efficiency, and a boom in low-carbon renewables such as wind and solar. However, the temporary hiatus appears to have ended in 2017. For 2017, we project emissions growth of 2.0% (range: 0.8%−3.0%) from 2016 levels (leap-year adjusted), reaching a record 36.8 ± 2 Gt CO _2 . Economic projections suggest further emissions growth in 2018 is likely. Time is running out on our ability to keep global average temperature increases below 2 °C and, even more immediately, anything close to 1.5 °C.

AbstractAn integrated understanding of the biogeochemical consequences of climate extremes and land use changes is needed to constrain land-surface feedbacks to atmospheric CO2 from associated climate change. Past assessments of the global carbon balance have shown particularly high uncertainty in Southeast Asia. Here, we use a combination of model ensembles to show that intensified land use change made Southeast Asia a strong source of CO2 from the 1980s to 1990s, whereas the region was close to carbon neutral in the 2000s due to an enhanced CO2 fertilization effect and absence of moderate-to-strong El Niño events. Our findings suggest that despite ongoing deforestation, CO2 emissions were substantially decreased during the 2000s, largely owing to milder climate that restores photosynthetic capacity and suppresses peat and deforestation fire emissions. The occurrence of strong El Niño events after 2009 suggests that the region has returned to conditions of increased vulnerability of carbon stocks.

Abstract Non-technical summary We identify a set of essential recent advances in climate change research with high policy relevance, across natural and social sciences: (1) looming inevitability and implications of overshooting the 1.5°C warming limit, (2) urgent need for a rapid and managed fossil fuel phase-out, (3) challenges for scaling carbon dioxide removal, (4) uncertainties regarding the future contribution of natural carbon sinks, (5) intertwinedness of the crises of biodiversity loss and climate change, (6) compound events, (7) mountain glacier loss, (8) human immobility in the face of climate risks, (9) adaptation justice, and (10) just transitions in food systems. Technical summary The Intergovernmental Panel on Climate Change Assessment Reports provides the scientific foundation for international climate negotiations and constitutes an unmatched resource for researchers. However, the assessment cycles take multiple years. As a contribution to cross- and interdisciplinary understanding of climate change across diverse research communities, we have streamlined an annual process to identify and synthesize significant research advances. We collected input from experts on various fields using an online questionnaire and prioritized a set of 10 key research insights with high policy relevance. This year, we focus on: (1) the looming overshoot of the 1.5°C warming limit, (2) the urgency of fossil fuel phase-out, (3) challenges to scale-up carbon dioxide removal, (4) uncertainties regarding future natural carbon sinks, (5) the need for joint governance of biodiversity loss and climate change, (6) advances in understanding compound events, (7) accelerated mountain glacier loss, (8) human immobility amidst climate risks, (9) adaptation justice, and (10) just transitions in food systems. We present a succinct account of these insights, reflect on their policy implications, and offer an integrated set of policy-relevant messages. This science synthesis and science communication effort is also the basis for a policy report contributing to elevate climate science every year in time for the United Nations Climate Change Conference. Social media summary We highlight recent and policy-relevant advances in climate change research – with input from more than 200 experts.