本文中的水体存留时间所采用的定义为指水质点离开所研究区域所需要的时间，该定义可定量描述海湾水交换的时间尺度；然而，基于该定义的水交换时间潮内变化研究甚少。本文以胶州湾为研究对象，利用CART理论（Constituent-oriented Age and Residence time Theory），通过求解水体平均存留时间（Average Residence Time,简称ART）所满足的伴随方程，得到其在不同初始潮位相下的空间分布，并在分析控制机制的同时，尝试研究扰动对平流输运轨迹的影响来揭示水交换潜在的不确定性。具体来讲，主要工作内容和结论如下：建立了三维水动力模式，对胶州湾潮流进行了模拟，较好地再现了胶州湾M2分潮胁振潮的性质，为计算水体平均存留时间研究提供了可靠的水动力场。胶州湾ART约为60天。主成份分析显示，ART时空分布模态较为单一，其中，第一模态的方差贡献达到99%以上。第一模态时间系数与潮位变化周期相同、位相差180度；高潮时湾内平均ART最小（约54天），而低潮最大（约66天），其中，团岛西南部以及两侧为甚潮内变化可以达到20天左右。空间上，ART由湾顶向湾口处逐渐减小；西南端黄岛与薛家岛之间的近岸存在明显的水交换滞缓区。再返回过程使得ART增加24天左右，但增量不随初始时刻而变化，不同投放时间返回率都基本上约在90%左右。以往对于胶州湾水交换的研究多将存留时间定义为湾内海水被外海水取代的时间（为区别起见，记为ART’），计算结果显示，ART与ART’的之差在湾西部以及团岛以北区域为负，而在湾中部以及东北部区域为正值。ART的时空分布与拉格朗日余流场密切相关。已有研究表明，胶州湾M2分潮系统的非线性作用较强，使得拉格朗日余流显著依赖初始潮位相；而本文得到的胶州湾水体平均存留时间具有显著的潮内变化，也证实了这一结论。在湾口区，非线性作用的影响尤为显著，从而使得该区域平均存留时间潮内变化较大。在湾中部，两个逆时针的余流涡阻碍了水交换。拉格朗日余流在湾内西部和团岛以北区域有显著出流使得该区域ART值小于ART’值。ART的不确定性不仅依赖于流场模拟的可靠程度，而且实际流场在外界扰动的影响下，本身还存在一定的不确定性。通过质点追踪方法开展的扰动对流场不确定性的蒙特卡洛实验，发现胶州湾可以划分为对扰动不甚敏感的区域（I区）以及对扰动较为敏感的区域（Ⅱ区）。I区与II区的分界线存在显著的潮内变化，低潮时离湾口最近，距湾口约3km，高潮时离湾口最远，约8km。流场的不确定性亦与M₂分潮系统的非线性作用有关，强非线性区流场的不确定性愈大。这为深入研究水体存留时间的不确定性奠定了研究基础。以胶州湾为例，本文首次给出了ART的潮内变化特征，发现高潮时ART最小，指出M₂分潮所致的拉格朗日余流而非欧拉余流决定了ART时空分布。