Szimuláció során a valóság egyes aspektusait utánozzák; olyan módszer, amikor egy rendszer, folyamat, jelenség fizikai vagy számítógépes modelljén keresztül tanulmányozzák és elemzik annak várható, illetve valódi viselkedését. Célja, hogy az utánzott jelenséggel azonos vagy hasonló élményt nyújtson a felhasználónak, így téve lehetővé az eredeti változat mellőzését egy adott feladat megvalósításához. A modell és az alkalmazási eljárás függvényében az alkalmazott módszerek általában két nagyobb csoportba (analitikus, numerikus) sorolhatók.

A kutatók általában bonyolult rendszereket vizsgálnak: a rendszeren belül számítógépes modellen nyomon követhető nagyszámú esemény következhet be, és természetesen előfordulhatnak véletlen hatások is. A modell futtatásakor a rendszerműködés szempontjából fontos események bekövetkezéséről, illetve a jellemző paraméterekről a későbbi kiértékelést megalapozó folyamatos statisztikák készülnek. A szimuláció a folyamat ezekből a leírásokból összeálló matematikai modelljéből rekonstruálja a vizsgált jelenséget.

A módszer alkalmazási köre folyamatosan bővül: a pilóták képzésénél használt repülő-szimulátor programok például a repülőgép viselkedését, reakcióit utánozzák, az időjárás-szimulátorok légköri jelenségek modellezését teszik kivitelezhetővé stb. Az olyan nagy volumenű feladatokat, mint az éghajlatváltozás megfigyelése általában szuperszámítógépekkel végzik. A terület első ismertebb szimuláció-alapú elemzése a Római Klub 1972-es jelentése, A növekedés határai volt.

Éghajlat- és időjárásmodellek

A Római Klub tevékenysége felgyorsította a módszer elfogadását, elterjedését. Az azóta eltelt négy évtized alatt az infokommunikációs technológiák teljesen átalakultak, „meghódították a világot." A szimulációban bevezették a dinamikus, nem-egyensúlyi rendszerek, mint például az időjárás és az éghajlat vizsgálatára alkalmas mesterségesintelligencia-alapú multi-ágens modelleket. Ez a megközelítés és az új szuperszámítógépek lehetővé teszik éghajlat-forgatókönyvek és a klímaváltozás társadalmi hatásainak kidolgozását vagy a légkör pontos matematikai leírását, amely egyrészt az alkalmazott hálózat sokszorosra feljavított tér- és időbeli felbontásának, másrészt a Föld éghajlatrendszerként történő modellezésének következménye (Earth System Modeling). Meteorológusok és klímakutatók azonban a mai csúcsdaraboknál sokkal hatékonyabb gépekben gondolkoznak; rendeltetésük az egy-két napos prognózisok és az évtizedekre, évszázadokra kidolgozott éghajlatmodellek egységesítése lenne.

Az éghajlat pontos modellezésének legnehezebben megoldható problémája egyébként az emberi befolyás és a természetes folyamatok által előidézett változások hatásának elkülönítése. A kettő közötti kölcsönhatások és folyamatos visszacsatolásaik annyira erősek, hogy szinte szétválaszthatatlanok egymástól: az általunk okozott változásoktól növekszik a természetes ingadozások mértéke, de pont ezek az ingadozások teszik rendkívül nehézzé az emberi beavatkozás részletes kimutatását. Ezt a problémát is figyelembe véve, az éghajlat dinamikus modellezése három alapmodellel (hidrodinamikai, numerikus, globális) történik. Időjárás-előrejelzés és éghajlatváltozás mellett, hozzájuk szorosan kapcsolódó kutatási területeken, főként környezetvédelmi projektek szimulációiban sokszor hasznosítják az ezekből a modellekből levont tapasztalatokat.

Környezetvédelmi alkalmazások

A Madridi Műszaki Egyetem Vorest szimulátorával például erdők fejlődése (fák növekedése, környezetük változása) tanulmányozható. Olyan kérdésekre kapunk választ, hogy mekkora tér jut nekik légben-földben, mennyire terjedhet ki lombkoronájuk, gyökérzetük. Egy ilyen szimuláció ipari tevékenységeknél (fakitermelés stb.) segít a döntéshozásban.

A környezetvédelemhez kapcsolódó vízgazdálkodásban szintén használják a szimulációt. Egy ausztrál cég például olyan multi-ágens rendszert hozott létre, amellyel jól modellezhető egy ország, vagy egy város vízgazdálkodása. A Simulait programcsomaggal a legkülönbözőbb komplex rendszerek működése is könnyen megjeleníthető.

A szimulációs módszer a vízjárás modellezésénél is előtérbe került. A vízválasztókat például nagyon bonyolult modellezni: a folyamat túl összetett, a topográfia változatos, a termőföld mezőgazdasági célú átalakítása sokszor komolyabb terv nélkül megy végbe. Amerikai és indiai kutatók a Himalájával próbálkoztak, folyamatosan tanuló mesterségesintelligencia-alapú megoldásukkal az „utolsó csepp vízig" megjelenítették a területet. Márpedig a víz mozgásának pontos felmérése a később meghozandó intézkedések nélkülözhetetlen alapfeltétele.