Agnès Ducharne 41 ans, 2 enfants, HDR, CR1 CNRS à l’UMR Sisyphe Thématiques scientifiques Hydrologie des surfaces continentales Liens hydrologie / environnement (climat, biogéochimie) Impacts des changements globaux (CC, LUCC) Bonjour, Je m’appelle AD, j’ai 41 ans, et je suis CR depuis plus de 10 ans à l’UMR Sisyphe, où mes thématiques de recherche portent - sur l’hydrologie des surfaces continentales - sur les liens entre hydrologie et environnement, qu’il s’agisse du climat ou du fonctionnement biogéochimique des bassins versants - et sur les impacts des changements globaux sur les ressources en eau

Outil privilégié : les modèles de surface continentale Travaux & Expérience Outil privilégié : les modèles de surface continentale Flux d’eau et d’énergie Sols & Biosphère biosphere momentum, latent and sensible runoff cloud types precipitation radiatively active gases and aerosols Dans ce cadre, les outils que j’ai privilégiés tout au long de ma carrière sont les modèles de surface continentale, qui décrivent les flux d’eau et d’énergie au sein du système sol & biosphère…

Outil privilégié : les modèles de surface continentale Travaux & Expérience Outil privilégié : les modèles de surface continentale Flux d’eau et d’énergie Sols & Biosphère biosphere momentum, latent and sensible runoff cloud types precipitation radiatively active gases and aerosols Thèse LMD + Sisyphe Couplages sols/climat Modèle ORCHIDEE Modèles de climat … mais aussi à l’interface avec l’atmosphère, ce qui fait de ces modèles une composante obligatoire des modèles de climat. Une part importante de mes travaux vise ainsi à élucider les couplages entre l’hydrologie des sols et le climat, avec le modèle ORCHIDEE couplé au modèle de climat de l’IPSL, tout d’abord lors de ma thèse au LMD, et plus récemment grâce à une collaboration très fructueuse avec Frédéric Hourdin et Frédérique Chéruy, du même LMD. 100-300 km

Outil privilégié : les modèles de surface continentale Travaux & Expérience Outil privilégié : les modèles de surface continentale Flux d’eau et d’énergie Sols & Biosphère biosphere momentum, latent and sensible runoff cloud types precipitation radiatively active gases and aerosols Post-doc NASA + Sisyphe Couplage nappe/surface Modèle CLSM Modèles de bassin versant Modèles de climat J’ai aussi beaucoup travaillé sur le couplage entre modèles de surface et modèles de bassin versant tout d’abord lors de mon post-doc à la NASA avec Randy Koster, où nous avons développé un des tous premiers modèles de surface décrivant le couplage entre nappe et surface, le modèle CLSM, dont je vous reparlerai - et puis ensuite à l’UMR Sisyphe, où j’ai exploré la validité de ce modèle dans différents contextes, 100-300 km

Outil privilégié : les modèles de surface continentale Travaux & Expérience Outil privilégié : les modèles de surface continentale Flux d’eau et d’énergie Sols & Biosphère biosphere momentum, latent and sensible runoff cloud types precipitation radiatively active gases and aerosols Modèles de bassin versant Sisyphe Changements globaux & ressources en eau CLSM & ORCHIDEE Modèles de climat Et j’ai enfin utilisé les modèles de surface pour aborder les impacts des changements globaux, et surtout du changement climatique (pointer à droite) sur les ressources en eau. 100-300 km

Production scientifique et Valorisation Travaux & Expérience Production scientifique et Valorisation 34 articles ACL + 3 soumis 10 en 1er auteur ; 20 issus d’encadrement 4 par an lors des 5 dernières années Nb moyen de citations ISI = 23 Facteur h = 12 5 chapitres d’ouvrage & 12 proceedings Plus de 100 conférences 11 invitées 1/3 en diffusion du savoir (gestionnaires, grand public) Enseignement (5 à 30 h/an) 2012  Création d’un module « Hydrologie continentale » à l’Ecole Polytechnique avec G. de Marsily (M1) A ce jour, j’ai valorisé ces travaux par 34 articles en revue à comité de lecture, dont 10 en premier auteur et 20 issus d’encadrement, et avec une production plus abondante au cours des dernières années. J’ai aussi à mon actif plusieurs chapitres d’ouvrages et plus de 100 conférences, dont 11 invitées, et 1/3 environ en diffusion du savoir, à destination des gestionnaires de l’eau, mais aussi du grand public. Enfin, j’ai toujours consacré un peu du temps à l’enseignement, avec un investissement qui est allé croissant, notamment cette dernière année universitaire, où j’ai été sollicitée avec Ghislain de Marsily pour monter un module d’hydrologie continentale à l’Ecole Polytechnique.

Direction et gestion de la recherche Travaux & Expérience Direction et gestion de la recherche Encadrement (HDR en 2011) 6 thèses : 3 soutenues (9 articles) et 3 en cours (2 articles soumis) 4 post-docs (5 articles) Gestion de projets 15 projets (France + FP6 ) dont 7 PI et 3 Co-I 8 comités scientifiques 6 programmes de recherche : TAOB & TOSCA (CNES), CYTRIX (INSU), GIS CES, PIREN-Seine, Labex L-IPSL 2 organismes de gestion de l’eau : ONEMA, AESN Responsable d’équipe et Directrice-adjointe (7 et 3 ans) 15 permanents + 15 docs interdisciplinarité / intégration entre hydrologie et hydrogéologie développement des études d’impact Labex L-IPSL : responsable du WP « Impacts » 40 permanents sur 8 laboratoires développement des études d’impact : animation, ateliers, post-docs Mais cette production scientifique s’accompagne aussi d’une solide expérience de direction et gestion de la recherche. Assez classiquement : - j’ai encadré 6 thèses et 4 post-docs - j’ai géré 15 contrats de recherche, nationaux et européens, dont j’ai monté et coordonné la moitié - et la reconnaissance de mon expertise scientifique m’a valu de siéger à 8 comités scientifiques : 6 comités de programmes, et 2 conseils scientifiques auprès d’organismes de gestion de l’eau Mais j’ai aussi exercé des responsabilités importantes en tant que chef d’équipe : - au sein de l’UMR Sisyphe, j’ai été chef d'une équipe de 15 permanents et 15 doctorants, pendant 1 contrat quadriennal et la moitié d’un quinquennal, où j’étais également directrice-adjointe de l’UMR - en terme de stratégie scientifique, mes actions majeures ont été de développer l’interdisciplinarité entre hydrologie « de surface » et hydrogéologie, ainsi que la thématique des impacts du changement climatique Enfin, j’ai été un des moteurs de la participation de l’UMR Sisyphe au Labex L-IPSL, où je suis responsable du work-package « Impacts », qui rassemble 40 permanents sur 8 laboratoires, et qui vise à développer les capacités de l’IPSL à aborder les impacts du CC, au-delà du changement climatique lui-même

Point fort # 1 : hydrologie Travaux & Expérience Point fort # 1 : hydrologie Modèle CLSM = Catchment LSM Modèle pionnier intégrant TOPMODEL Couplage complet entre nappe, sol et ET Impact sur persistance hydrologique et force des couplages sol/atmosphère Koster et al. 2000 [204] Ducharne et al. 2000 [86] Boone et al. 2009 [36] Gascoin et al. 2009 [6] [Citations ISI au 22-03-2013] Unités de calcul = bassins versants Topographie  distribution de l’humidité des sols Trois fractions pour le calcul des flux de surface (ET, R, etc.) Fraction humide Je vais maintenant illustrer quelques points forts de mes travaux, qui nourrissent mon programme de recherche. Et le premier de ces points forts, c’est l’hydrologie, où je combine une expertise forte sur les processus et sur la modélisation. En particulier, le modèle CLSM, pour Catchment LSM, est un des tout premiers à avoir exploité les concepts du modèle hydrologique TOPMODEL (pointer à droite, en racontant) pour décrire la variabilité sous-maille de l’humidité du sol et des flux de surface associés, à partir d’informations sur la topographie. Ce modèle fait référence dans la communauté, car il repose sur des idées très astucieuses pour décrire un couplage complet entre nappe, sol et évapotranspiration, cette propriété ayant permis de mettre en évidence une influence de la nappe sur la persistance hydrologique et sur la force du couplage sol/atmosphère.

Point fort # 1 : hydrologie Travaux & Expérience Point fort # 1 : hydrologie Modèle CLSM = Catchment LSM 1.3m Modèle ORCHIDEE Diffusion de l’eau dans le sol selon Richards Influence d’une nappe à faible profondeur sur le climat Chéruy et al. 2012 Campoy et al., accepté P (JJA, mm/j) Autre exemple important, les travaux que nous avons menés avec le modèle ORCHIDEE couplé au modèle atmosphérique de l’IPSL lors de la thèse d’Aurélien Campoy. Nous sommes partis d’une version d’ORCHIDEE qui résout la diffusion de l’eau dans le sol sur des bases physiques (pointer), que nous avons adaptée pour pouvoir décrire un sol saturé, c’est-à-dire une nappe, sous une profondeur fixée, ce qui impose de forcer une entrée d’eau dans le sol (pointer). Pour une nappe à 1.3m de profondeur, on obtient une modification importante du climat estival, ici en Europe (pointer carte), avec une augmentation très importante des précipitations, et une baisse des températures atmosphériques. Evidemment, il n’est pas réaliste de supposer qu’on trouve une nappe en permanence à 1.3m de profondeur sur tous les continents, et l’enjeu est maintenant de décrire une nappe dynamique, avec des profondeurs réalistes. Augmentation des précipitations estivales Réduction d’un biais chaud du modèle climatique

Point fort # 2 : impacts du changement climatique Travaux & Expérience Point fort # 2 : impacts du changement climatique Rôle structurant au niveau national plusieurs facettes des ressources en eau : quantité, extrêmes, qualité, T(eau) quantification/hiérarchisation des incertitudes La représentation des eaux souterraines est un facteur d’incertitude 2100 vs 2000 – BV de la Seine Réponse particulière de CLSM sous CC La nappe alimente les sols Stress hydrique peu effectif Influence sur impacts Influence sur trajectoire du CC ? Un autre de mes points forts concerne l’étude des impacts du changement climatique sur les ressources en eau, (pointer) où j’ai joué un rôle structurant au niveau national lors de la dernière décennie. En effet, j’ai porté plusieurs gros projets où nous avons proposé des méthodes pour : - aborder conjointement plusieurs facettes des ressources en eau, qu’il s’agisse de quantité, d’extrêmes, de qualité, ou de température de l’eau, - quantifier/hiérarchiser les incertitudes associées En particulier, nous avons pu montrer que la représentation des eaux souterraines est un facteur d’incertitude non négligeable. C’est que vous voyez sur ce graphique, qui montre les changements de précipitations (pointer) et de débit entre 2000 et 2100 dans le bassin de la Seine, avec une couleur par modèle hydrologique, et un point par projection climatique considérée. On voit que le modèle CLSM, en jaune, simule une baisse de débit beaucoup forte que les autres modèles, liée à une augmentation d’évapotranspiration plus forte, parce que la nappe dans CLSM alimente le sol, ce qui limite le stress hydrique. Ducharne et al., 2007 Ducharne et al. 2009 Ducharne et al. 2011 Habets et al. soumis

Point fort # 3 : changement d’occupation des terres Travaux & Expérience Point fort # 3 : changement d’occupation des terres Post-doc Marie Curie de S. Sterling (FP6) Modélisation avec ORCHIDEE avec végétation potentielle et anthropisée  ET cohérents avec observations Méta-analyse : 3 facteurs antagonistes influencent les débits au 20ème siècle  Difficile d’établir / attribuer des tendances historiques Derniers résultats scientifiques marquants, ceux que nous avons obtenus sur l’impact du changement d’occupation des terres sur le cycle de l’eau global lors du post-doc Marie Curie de Shannon Sterling Nous avons utilisé le modèle ORCHIDEE, forcé avec 2 jeux de couverture végétale, potentielle et anthropisée, ce qui nous a permis de valider les changements d’évapotranspiration simulés par référence à des observations collectées par Shannon lors de sa thèse aux EU Nous avons aussi fait une synthèse de plusieurs études numériques, pour mettre en évidence que 3 principaux facteurs influencent l’évolution des débits au cours du 20ème siècle (pointer) Le changement d’occupation des terres Le changement climatique réalisé au 20ème siècle Les prélèvements d’eau dans les cours d’eau et les nappes Vous voyez que ces facteurs ne jouent pas tous dans le même sens ce qui explique la difficulté à établir et attribuer des tendances historiques sur les débits. Sterling & Ducharne, 2008 Sterling et al., 2012 (Nature CC)

Projet ciblé sur les eaux souterraines Programme de recherche Projet ciblé sur les eaux souterraines Modèles de surface continentale biosphere momentum, latent and sensible runoff cloud types precipitation radiatively active gases and aerosols Modèles de bassin versant Modèles de climat A ce stade, j’espère vous avoir convaincus que les eaux souterraines étaient un élément important pour bien décrire la dynamique des ressources en eau et les couplages entre sol et climat. Moi en tout cas, j’en suis convaincue, et c’est pourquoi j’ai choisi d’orienter désormais mes recherches pour (pointer) réaliser une réelle intégration des eaux souterraines dans la modélisation du système Terre, - en tenant compte des interactions avec le climat, - et avec des enjeux sur la physique du système Terre, mais aussi sur les changements globaux, qu’il s’agisse de leurs impacts comme de leur trajectoire. Intégration des eaux souterraines dans la modélisation du système Terre et des changements globaux

Choix de modélisation - Modèles ORCHIDEE + LMDZ Programme de recherche Choix de modélisation Modèles ORCHIDEE + LMDZ Eaux souterraines  dans sols + nappes Ressources en eau à mémoire longue Influence contrôlée par la profondeur du toit de la nappe + - Couplage sol / atmosphère Je mènerai ce travail avec le modèle de surface ORCHIDEE couplé au modèle atmosphérique LMDZ, Et je travaillerai sur deux facettes principales des eaux souterraines, dans les sols et dans les nappes. En ce qui concerne l’eau des sols, mon travail s’inscrit dans la continuité de mes travaux actuels avec l’IPSL, avec plusieurs projets en cours que je rappellerai ultérieurement. Mais la principale originalité de mon projet concerne l’eau des nappes - qui constituent des ressources en eau à mémoire longue - et dont l’influence sur les couplages sol/atmosphère est contrôlée par la profondeur du toit de la nappe, comme illustré sur cette figure (pointer)

Choix de modélisation Modèles ORCHIDEE + LMDZ Programme de recherche Choix de modélisation Modèles ORCHIDEE + LMDZ Eaux souterraines  dans sols + nappes Ressources en eau à mémoire longue Influence contrôlée par la profondeur du toit de la nappe Module suffisamment simple et flexible pour décrire les grands types fonctionnels d’aquifères et de connexion avec la surface à l’échelle globale Réservoir souterrain Réservoir fleuve 1 m 10 m 100 km D Fraction humide WHYMAP Dans ce cadre, mon objectif est de développer un module suffisamment simple et flexible pour décrire les grands types fonctionnels d’aquifères et de connexion avec la surface (y compris l’absence de nappe) à l’échelle globale, en bénéficiant des bases de données hydrogéologiques qui existent désormais à cette échelle, et dont vous avez une illustration ici (pointer l’Amaz). Le principe que j’ai retenu pour l’instant est de d’introduire une nouvelle fraction de maille, dite humide, dans chaque maille ORCHIDEE. Elle serait localisée dans les fonds de vallée (pointer le vert), et alimentée par la convergence du drainage de la maille : - ce qui permettrait  une évapotranspiration accrue - et servirait aussi de tampon entre le drainage et le débit des cours d’eau Aquifères majeurs Aquifères complexes

Données de forçage & validation Géologie, Pédologie, Topographie, GRACE, SMOS, surfaces en eau, prélèvements, etc. Evaluations à différentes échelles locale / régionale continentale / globale en mode couplé et/ou forcé Développements continuum nappe/surface/atmosphère dans ORCHIDEE-LMDZ   Incertitudes & transférabilité  Changements globaux Influence des eaux souterraines sur changement climatique sur climat moyen, variabilité, extrêmes via couplages sol/atmo, méthane & zones humides, dynamique végétale Impacts sur les ressources en eau attribution des tendances en tenant compte des prélèvements évolution des stocks souterrains et flux de surface (débits) conséquences sur agriculture, irrigation, eau potable, énergie vulnérabilité & adaptation

Etapes et questions scientifiques Programme de recherche Etapes et questions scientifiques  Sur cette base, mon programme de recherche s’articule en 3 étapes.   La première concerne la mise en place des développements précédents, et leur évaluation, dans un cercle que l’on espère vertueux, - en bénéficiant des données de validation déjà acquises dans de nombreuses configurations, à différentes échelles et en mode couplé ou off-line, - et de toutes les données de forçage disponibles à l’échelle globale, notamment sur les sols et les eaux souterraines,

 Etapes et questions scientifiques Données de forçage & validation Programme de recherche Etapes et questions scientifiques Données de forçage & validation Géologie, Pédologie, Topographie, GRACE, SMOS, surfaces en eau, prélèvements, etc. Evaluations à différentes échelles locale / régionale continentale / globale en mode couplé et/ou forcé Développements continuum nappe/surface/atmosphère dans ORCHIDEE-LMDZ    Incertitudes & transférabilité  Changements globaux Influence des eaux souterraines sur changement climatique sur climat moyen, variabilité, extrêmes via couplages sol/atmo, méthane & zones humides, dynamique végétale Impacts sur les ressources en eau attribution des tendances en tenant compte des prélèvements évolution des stocks souterrains et flux de surface (débits) conséquences sur agriculture, irrigation, eau potable, énergie vulnérabilité & adaptation Sur cette base, mon programme de recherche s’articule en 3 étapes.   La première concerne la mise en place des développements précédents, et leur évaluation, dans un cercle que l’on espère vertueux, - en bénéficiant des données de validation déjà acquises dans de nombreuses configurations, à différentes échelles et en mode couplé ou off-line, - et de toutes les données de forçage disponibles à l’échelle globale, notamment sur les sols et les eaux souterraines,

Etapes et questions scientifiques Programme de recherche Etapes et questions scientifiques  Ces travaux permettront dans un 2ème temps d’aborder la problématique des changements globaux, avec deux grandes questions : quelle est l’influence des eaux souterraines sur le changement climatique ? - avec des effets qui peuvent être importants en terme de climat moyen, variabilité et extrêmes via les couplages sols/atmosphère, - mais aussi via l’émission de méthane par les zones humides, - voire par des modifications de dynamique végétale quels sont les impacts des changements globaux sur les ressources en eau ? avec des possibilités nouvelles offertes par l’étape 1 - pour travailler sur l’attribution des tendances en tenant compte des prélèvements - pour évaluer les impacts sur les ressources en eau souterraines, et leurs conséquences sur agriculture, irrigation, eau potable, énergie, et ce de manière cohérente sur l’ensemble du globe, - ce qui ouvre la voie à une réflexion plus cohérente sur vulnérabilité et adaptation

Etapes et questions scientifiques Programme de recherche Etapes et questions scientifiques  La troisième étape concerne les incertitudes et la transférabilité des modèles sous changement climatique, et j’aborderai cette question en comparant le changement climatique simulé avec et sans nappes. C’est une démarche que nous avons déjà testée avec Frédérique Chéruy en comparant différents modèles sol/climat de l’exercice CMIP5, avec des résultats préliminaires très intéressants, car le réchauffement simulé en Europe est d’autant plus fort que le modèle sol/climat montre un fort biais chaud en rétrospectif.   De manière plus générale, j’ai placé cette question de la transférabilité des modèles sous changement climatique comme une question prioritaire du WP « Impacts » du Labex L-IPSL.

Contexte de réalisation Programme de recherche Contexte de réalisation Au sein de Sisyphe rejoignant l’IPSL : Labex puis Fédération Groupe ORCHIDEE (responsabilité de l’hydrologie) Soutien par plusieurs projets : EN COURS Financement Etudiants/Coll. Objectifs AMAZALERT - Raising the alert about critical feedbacks between climate and long-term land use change in the Amazon FP7 2011-2015 Guimberteau, postdoc (3 ans) Coll. Ciais (LSCE) Validation d’ORCHIDEE-Richards Impacts croisés déforestation / CC CHARM - Couplages Hydrologie / Atmosphère à l'échelle Régionale et Mondiale dans le modèle du système Terre de l'IPSL L-IPSL 2012-2013 Campoy, thèse ( juin 2013) Coll. Chéruy (LMD) Simulations du CC avec ORCHIDEE-Richards et analyse Thèse Alyaari  - Use of remote sensing and GIS to study land surface hydrological responses Arabie Saoudite 2012-2014 Alyaari, thèse ( fin 2014) Coll. Wigneron (INRA) Evaluation d’ORCHIDEE-Richards vs. télédétection “hydrologique” EMBRACE - Earth system Model Bias Reduction and assessing Abrupt Climate change 2012-2015 Wang, post-doc (2 ans) Coll. Chéruy & Polcher (LMD) Evaluation/amélioration d’ORCHIDEE-Richards en mode couplé Pour terminer, mon projet s’inscrit parfaitement dans les thématiques de l’UMR Sisyphe, mais c’est aussi un élément clé du rapprochement entre Sisyphe et l’IPSL, commencé par le Labex L-IPSL, et qui se poursuivra prochainement par une adhésion à la Fédération IPSL. Il contribuera aussi aux développements coordonnés par le groupe ORCHIDEE, où j’ai déjà la responsabilité de l’hydrologie, avec des implications dans plusieurs projets, dont deux projets européens, à travers lequels nous cherchons à évaluer et améliorer la version d’ORCHIDEE avec une hydrologie des sols à bases physiques. Il me reste désormais à trouver des moyens pour le projet que je vous ai présenté sur les nappes. J’ai d’abord déposé une demande de thèse à l’UPMC, qui vient labelisée par la KIC-Climat. Je souhaite aussi monter un projet ANR à partir des idées que je vous ai présentées, avec des collaborations plus larges : - en particulier B. Decharme, qui développe des approches très complémentaires au CNRM - mais aussi avec le CIRED, l’UNESCO et la Banque Mondiale sur les aspects prélèvements et interactions avec la société - et enfin avec des collègues américains, qui sont très actifs dans le domaine Demande de thèse UPMC : labélisée KIC-Climat Projet ANR : SOC&ENV ou Blanc Sisyphe, IPSL, CNRM (Decharme) CIRED (Dumas, Quirion), UNESCO (Aureli), Banque Mondiale (Hallegate) Collaboration avec Amérique du Nord (Koster, Zeng, Famiglietti, Sterling, etc.)

Publications : 34+3 ACL ; facteur h = 12 Synthèse Ecole Normale Supérieure (Ulm) Thèse au LMD (avec K. Laval) Post-doc GSFC/NASA (avec R. Koster) CR CNRS à l’UMR Sisyphe 15 projets de recherche (7 PI + 3 co-I) Responsable d’équipe + Directrice-adjointe HDR : encadrement de 6 thèses et 4 post-docs Labex L-IPSL : responsable de work-package Ecologie 1994 Cycle de l’eau 1997 Eaux souterraines 2000 Impacts CC & LUC 2004 2011 Couplages sol/atmo Publications : 34+3 ACL ; facteur h = 12 En conclusion, je rappelle ici comment mon programme de recherche s’inscrit dans la continuité de mon expertise scientifique et de mon expérience en direction de la recherche. Il répond aussi aux thématiques affichées de la section 19, et c’est l’ensemble de ces éléments qui motive aujourd’hui ma candidature devant vous comme directrice de recherche. Description intégrée des eaux souterraines dans la modélisation du système Terre et des changements globaux Section 19 - Système climatique : couplages entre atmosphère, continent, cryosphère et biosphère Section 19 - Changement global, régional, anthropisation, impacts