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서 론

 세계 어류생산고의 대부분을 차지하는 청어, 멸치, 대구, 고등어 등의 상위 10개의 어종 중에서 멸치는 UN식량농업기구의 1993년 통계에서는 약 830만톤으로 이들 어종 중에서 1위를 차지하고 있는 중요한 어종 (Lalli and Parsons, 1993)으로, 우리나라와 같이 멸치를 식량자원으로 이용하는 국가에서는 그 중요성이 더욱 높다. 또한 멸치는 플랑크톤과 같은 하위단계의 생물로부터 상위단계의 생물들에게 에너지를 전달하는 어류생물이므로, 멸치자원의 변동은 멸치자원뿐만 아니라 다른 상위단계의 어류자원 변동에 영향을 줄 수 있기 때문에 자원 상태의 정확한 평가는 다른 어류 자원보다 더욱 중요한 의미를 가진다고 할 수 있다.

 수산자원의 평가와 관리는 현존량의 추정에서 시작되는데, 현재 우리나라에서는 연안의 주요 어종들에 대해서 어획량 통계에 의한 통계조사법, 난·자치어 조사 등에 의한 통계적 추정,자원역학적 모델을 이용한 자원변동량의 추정 등의 간접적인 조사기법이 중심이 되어 조사하고 있으나, 세계 여러 수산업 국가들은 이러한 방법들과 함께 직접적으로 자원 현존량을 추정하는 기법인 음향자원조사법을 적극적으로 활용하고 있다. 실제로 전 세계 어류자원의 약 1/3은 과학어군탐지기를 이용한 음향자원조사법이 활용되고 있다. 최근 우리나라에서도 바다 목장화 사업과 관련하여 음향자원 조사법을 활용한 어류자원의 현존량 추정 연구가 수행되어 그 활용도가 높아지고 있다.

 음향자원조사에 있어서 가장 중요한 파라메터는 조사 대상종의 Target strength (이하 TS)특성으로, 이 값은 음향시스템에서 대상자원을 판별하기 위한 팩터 (factor)이면서 음향자료를 생물의 현존량으로 변환하기 위해서는 사용되는 값으로 자원량 추정 정확도와 직접적으로 관계하기 때문에 정확도 높은 추정이 이루어져야 한다. 최근 단일주파수 38kHz의 스플릿 빔 (Split beam)을 이용하여 자연 상태의 멸치어군으로부터 TS 측정 (Yoon et al.,1996)이 시도되었고, 해외에서도 멸치의 음향산란특성에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다 (Miyashita, 2002; Zhao et al., 2008). 어류의 TS를 추정하는 기법에는 시스템의 종류와 측정 방법에 따라 몇 가지로 나누어질 수 있으며, 최근에는 센서기술과 측정방법이 발전하여 보다 정확도 높은 추정이 가능하게되어 기존의 추정값들이 보완되고 있다. 또한, TS실측 기술의 발전뿐만 아니라, 물리모델을 기반으로 한 수중생물에 대한 음향산란 이론모델의 발전으로 실측치를 검증뿐만 아니라 실측이 어려운 수중 생물들의 TS추정에도 적극 활용되고 있다.

 본 연구에서는 어류생물의 음향산란 추정에 활용되고 있는 이론모델을 이용하여 우리나라 연안에 분포하고 있는 멸치 (Engraulis japonicas)에 대한 주요 주파수별 음향산란특성을 추정하고 다중주파수 특성을 이용한 조사해역의 현장 적용 가능성을 검토하였다.

재료 및 방법

표본어류의 음향산란이론모델

 Clay and Horne (1994)은 Foote (1985)가 어류에 의한 음향산란을 추정하기 위하여 어류음향산란의 대부분을 차지하는 부레에 Kirchhoff-Helmholtz approximation을 적용한 연구에 착안하여, 어류의 체조직과 부레를 유한원통요소로 근사하는 Kirchhoff-ray mode model (이하 KRM모델)을 개발하고, 실측치와 비교하여 모델의 실용성을 확인하였다. KRM모델은 어류의 체조직을 유체의 유한원통으로 근사하고, 부레를 기체의 유한원통으로 근사하여 이들로 부터의 음향산란 진폭의 합을 구하여 어류의 전체의 음향산란을 추정한다. 이 두 요소에 의한 음향산란은 사용주파수, 체형 및 부레 형상, 음파의 입사각,
매질인 해수와 체조직의 밀도 및 음속 등의 함수로 표현되는데, 어류에 의한 음향산란 진폭인 와TS (dB)의 관계는 아래 식 (1)과 같다.

 KRM 모델을 이용하여 음향산란특성을 추정하기 위해서는 어류의 체형자료와 부레의 형상 자료를 추출해야 한다. 음향산란특성 추정에 사용한 생물표본은 통영해역에서 어획된 활어를 이용하였으며 (Fig. 1), 자연 상태에서의 부레형상을 그대로 유지할 수 있도록 드라이아이스와 알콜을 이용하여 어체를 급속으로 냉동한 후 X선 촬영으로 사진자료를 취득하였다. X선 사진은 디지털 화상으로 변환 후 디지타이징 프로그램을 이용하여 몸체와 부레의 체형좌표를 추출하였다 (Fig. 2).

Fig. 1. Japanese anchovy (Engraulis japonicas).

Fig. 2. Radiograph and digitizing example of Japanese anchovy to estimate acoustic scattering characteristics by theoretical model. The scale is arbritrary.

 한편, 멸치의 유영자세각에 대한 평균 TS를 산출하는 데에는 유영 자세각 변동에 대한 자료가 필요한데, 본 연구에서 유영 자세각 변동은 일반적인 어류에 적용하는 평균 －5°, 표준편차 ±15°의 확률밀도함수로 가정하여 모델링을 실시하였다.

현장자료 수집 및 멸치어군 에코그램 추출

 본 연구에서 멸치어군의 음향산란모델을 이용하여 조사해역에 대한 현장 적용 가능성을 분석하기 위하여, 2010년도 춘계시기에 우리나라 동해안 구룡포인근해역에 분포하는 주요 중층 회유성어군의 에코그램을 수집하였다. 최근 전세계적으로 어족자원 및 먹이생물인 동물플랑크톤의 음향자원조사에 적용하는 과학어군탐지기 (Scientific echo sounder)는 3개의 주파수 (38,120, 200kHz)를 주로 설치하여 운용하여 조사해역의 분포밀도와 현존량을 추정하고 있으므로, 목표어종에 대한 3 주파수에 대한 음향산란이론모델을 검토하였다. 그러나, 본 조사에서 현장자료는 국립수산과학원 탐구12호 (R/V, 70G/T) 조사선박 현측에 2 주파수의 스플릿 빔 트랜스듀서 (38 and 120kHz, SIMRAD)로 구성된 이동식 고정프레임을 설치하여 음향자료를 수집하였으며, 후처리음향소프트웨어 (EchoVeiw 4.0, Sonar Data)를 이용하여 조사해역에 분포하는 멸치어군으로 추정되는 에코그램을 처리하여 분석하였다.

 음향기법을 이용하여 수층에 분포하는 멸치의 분포밀도를 추정하기 위해서는 채집된 표본에 대한 주파수별 음향산란특성을 결정해야만하는데, 대상생물의 다양한 크기 및 주파수별 음향산란특성을 규명하기 위하여 음향산란이론모델을 적용하여 후방산란강도를 예측하여 에코그램을 분석한다 (Clay and Horne, 1994; Lee et al., 2009; Lee et al., 2010; McGehee et al., 2002; Miyashita, 2002; Zhao, 2008).

 조사해역에서는 다양한 회유성어족들이 분포하며 수층별 음향자료로부터 멸치에 대한 음향신호를 추출하기 위해 KRM 모델을 이용하여 체장 (B.L)을 고려한 전체 길이에 대한 2 주파수(38kHz 및 120kHz)에 의한 주파수차를 계산해야하므로, 음향이론모델에 의해 추정된 멸치의 TS의 주파수 특성을 적용하였다. 두 주파수 차에 의한 종식별 방법은 대상 산란체의 평균 체장을 기준으로 하여, 평균 TS의 주파수 차에 대한 값이 에코그램에서 수집한 임의의 체적에 대한 체적후 방산란강도 (Volume Backscattering Strength, SV)의 주파수 차의 값이 동일하다는 것으로 아래 식과 같이 나타낼 수 있다.

 음향기법을 이용한 조사해역에서 분포하는 멸치의 밀도 및 조사해역을 고려한 현존량을 추정하기 위해 조사해역에서 저장된 에코그램으로부터 주파수차에 의해 멸치어군의 에코신호를 추출한 가상 에코그램을 0.1마일 간격으로 얻어진 NASC 값을 멸치의 평균 TS 값으로 계산할 수 있으며, 멸치어군으로 추출된 에코신호는 아래의 체장－체중관계식 (NFRDI, 2010)을 이용하여 조사해역의 분포밀도를 추정할 수 있다.

결과 및 고찰

 최근 음향자원조사에 활용되는 어족자원 및 기초 생산자인 동물플랑크톤의 현존량 추정에 적용되는 주요 주파수 38kHz, 120kHz 및 200kHz에 대한 본 연구의 목표어종 멸치의 체장별 각 생물표본에 대한 TS패턴은 아래 그림과 같다(Fig. 3).

 TS패턴은 낮은 주파수인 38kHz에서는 자세각 변화에 따라 안정된 변화의 양상을 나타내었으나, 120kHz과 200kHz에서는 고주파수의 특성에 의해 복잡한 패턴으로 나타났으며, 최대 TS값을 나타낸 자세각은 부레의 축과 체축이 이루는 각도 차이에 따라 38kHz에서는 약 81°(등방향 중심에서 －9°)였고, 120kHz와 200kHz에서 약 83°(－7°)로 거의 동일한 것으로 확인되었다.

 표본샘플에 대한 주파수별 최대 TS 및 평균 TS는 Table 1과 같다. 셈플의 체장과 추정치를 비교해보면, 체장의 변화가 수mm인데 반하여 TS값의 변화는 수 dB의 차이를 보였다. 물론 표본 개체에 따라 체형이나 부레의 크기 및 형태가 차이나기 때문에, 체장이 거의 동일하더라도 TS값에서 개체의 특성이 나타날 수 있다. 또한, 음향산란이론모델의 추정 결과에서 나타난 차이는 X－ray 촬영영상에서 배면방향의 화상이 뚜렷하지 못하여 부레의 좌표를 디지타이징할 때 발생한 오차의 영향으로 발생될 수 있다고 판단된다.

 본 연구에서 사용한 멸치의 유사 체장별 6개체를 활용하여 38kHz에 대한 기준화 TS (TScm) 추정결과는 Fig. 4와 같다. 유영자세각에 대하여 평균한 기준화 TS값은 약 －67.3dB였다. 대부분의 유표어의 경우, 기준화 TS값이 －65〜－75dB 사이의 값을 가지는데, 멸치의 경우 다른 유표어와 같이 동일한 특성을 나타내었으며, 기준화 TS값은 크기가 다른 회유성 어류와 거의 유사한 특성을 나타내었다.

 각 생물표본에 대한 주파수별 TS값을 기준화하여 추정한 TScm 값은 개체어에 따라 다소 차이를 나타내었으나, 이 값들을 평균하여 추정한TS와 체장 사이의 관계식은 다음과 같이 추정되었다.

 본 연구의 분석에 사용한 한정된 생물표본의 갯수만으로는 정확한 멸치의 다양한 체장에 대한 TS－체장 관계식을 추정하기 어려우나, 향후 표본의 갯수를 증가하여 다양한 부레형태에 대한 평균화 작업은 필요할 것으로 판단되며, X선사진의 화상추출 및 디지타이징 과정에서 발생할 수 있는 오차를 줄이는 방안과 대상생물의 다양한 크기별 음향산란특성은 현수법 (Kawabata, 2005; Lee, 2005) 혹은 자유유영상태 (Goss et al., 2001)에서의 음향신호를 분석하여 검증할 필요가 있다고 사료된다.

 이러한 이론적인 검토를 바탕으로 각 주파수별 평균체장 (BL〓8.2cm)에 대한 평균 TS_38kHz (－50.9dB)를 추정하고 에코그램상의 주요어군으로부터 멸치어군의 에코신호를 추출하기 위한 주파수 범위를 －7.0dB<ΔSV_{38kHz－120kHz} 38kHz－120kHz<0.7dB로 설정하였다. 조사해역에서 수집한 음향자료 분석은 0.1nmile간격으로 분포량을 추정한 결과,조사해역의 멸치 분포량은 0.1nmile당 평균밀도가 4.27 (g/m² )이었고, 최대밀도는 42.37 (g/m² )로 추정되었으며, 총 조사면적이 약 200km² 인 경우 약 47.6톤 (M/T) 가량의 멸치가 분포하고 있는 것으로 추정되었다 (Fig. 5 and 6).

 한편, 조사해역의 공간별 분포수층은 표층에서 100m 수심까지 넓게 분포하고 있는 것으로 나타났으며, 수심 100m이내의 연안해역에서 높은 분포밀도를 나타내었다. 그러나, 조사기간동안 주변해역에서 소형선망어업에서 어획되고 있는 주요어종으로는 소형 청어의 어획량이 높았으며, 이러한 결과는 본 연구에서 2주파수차에 의한 분석 결과에 멸치어군만 에코그램에서 추출되었다고 단정할 수는 없다. 따라서, 다양한 어종이 분포하는 해역에서 특정어종을 목표로 어종간 식별작업을 위해서는 조사해역에서 중층트롤채집어구와 같은 표본생물의 어종상 분포를 파악하고, 다양한 어종에 대한 주파수특성과 3개 이상의 주파수로 구성된 트랜스듀서를 설치하여 다중주파수기법에 의한 방법의 종합적인 검토가 필요할 것으로 판단된다. 이러한 예측 결과는 어획시기 및 해양환경을 고려하여 대상으로 하는 목표어종을 추출할 수 있는 주파수 패턴분석을 고려한다면, 보다 정도 높은 음향자원직접평가를 적용될 것으로 판단된다.

결 론

 본 연구는 목표어종의 체조직과 부레을 유한원통요소로 근사하는 KRM모델을 이용하여 우리나라 연안에 서식하는 멸치에 대한 음향산란특성을 시험적으로 추정하였다. KRM 모델을 이용하여 음향산란특성을 추정하기 위해 요구되는 어류의 체형자료와 부레의 형상자료는 자연상태에서의 부레형상을 그대로 유지한 상태에서 X선 사진촬영후 이를 디지털 화상으로 변환하여 멸치의 몸체와 부레의 체형좌표를 추출하였다. 멸치의 유영자세각에 대한 평균TS를 산출할 때의 유영 자세각 변동은 일반적인 어류에 적용하는 평균 －5°, 표준편차 ±15°의 확률밀도 함수로 가정하였다.

 과학어군탐지기의 주파수 38kHz, 120kHz, 200kHz에 대한 각 샘플별 TS패턴을 검토한 결과 최대 TS값을 나타낸 자세각은 등방향 중심에서 부레의 각도는 38kHz에서는 －9°였고, 120kHz와 200kHz에서 －7°로 거의 동일하였으며, 주파수에 대한 TS와 체장 사이의 관계식은 < TS_38kHz>〓20logBL－67.3, < TS_120kHz>〓20logBL－66.6, < TS_200kHz>〓20logBL－67.0로 추정되었다. KRM모델에 의한 결과를 바탕으로 조사해역에서 수집한 음향자료 분석은 0.1nmile 간격으로 분포량을 추정한 결과, 조사해역의 멸치 분포량은 0.1nmile당 평균밀도가 4.27 (g/m²)이었고, 최대밀도는 42.37 (g/m²)로 추정되었다. 본 연구 결과는 채집어구에 의한 어종상, 해양환경 등을 고려하여 목표어종에 대한 크기별 주파수패턴분석을 고려하면, 보다 정도 높은 음향자원직접평가를 적용될 것으로 판단된다.

사 사

 본 연구는 국립수산과학원 수산시험연구사업(수산업의 기후변화에 대한 영향 연구 및 대응전략, RP-2012-FE-019)의 지원에 의해 수행되었으며, 실험에 적극적으로 협조하여 주신 국립수산과학원 시험조사선 탐구12호 이재길 선장님을 비롯한 선박직원 분들께 감사드립니다. 끝으로 본 논문을 사려 깊게 검토하여 주신 심사위원님들과 편집위원님께 감사드립니다.