Journal Search Engine

ISSN : 2671-9940(Print)
ISSN : 2671-9924(Online)

Journal of the Korean Society of Fisheries and Ocean Technology Vol.58 No.1 pp.32-38
DOI : https://doi.org/10.3796/KSFOT.2022.58.1.032

Acoustic scattering characteristics of chub mackerel (Scomber japonicus) by KRM model

Geunchang PARK

, Wooseok OH

, Sunyoung OH

, Kyounghoon LEE^1*

Student, Division of Fisheries Science, Chonnam National University, Yeosu 59626, Korea
¹Professor, Department of Marine Production Management, Chonnam National University, Yeosu 59626, Korea

^*Corresponding author: khlee71@jnu.ac.kr, Tel: +82-61-659-7124, Fax: +82-61-659-7129

Received 20211007 Review 20220203 Accepted 20220216

Abstract

In this study, Target strength for multi-frequency (38 kHz, 70 kHz, 120 kHz and 200 kHz) of chub mackerel (Scomber japonicus) was estimated using by the KRM model. The body shape of the Chub mackerel was described by an X-ray system and the body length of 20 individuals ranged from 16 cm to 28 cm. The swimbladder tilt angle ranged between – 8 and – 14°, the maximum TS value according to the swimming angle of chub mackerel was – 33.0 dB at – 11°. The averaged TScm according to fork length was – 66.02 dB at 38 kHz, – 66.50 dB at 70 kHz, – 66.00 dB at 120 kHz and – 67.35 dB at 200kHz, respectively.

Key Words : Chub mackerel , Target strength , Kirchhoff-ray mode model

KRM 모델을 이용한 고등어(Scomber japonicus)의 음향산란특성 규명

박근창

, 오우석

, 오선영

, 이경훈^1*

전남대학교 수산과학과 학생
¹전남대학교 해양생산관리학과 교수

초록

키워드 :

This article has been cited by 0 article in crossref

Cited-By

Funding:

서 론

고등어(Chub Mackerel, Scomber japonicus)는 농어목 (Perciiformes), 고등어과(Scombridae)에 속하는 어류로 우리나라 전 연안 표·중층에서 어군을 형성하여 회유하는 난류성 어종이다(Cha et al., 2004; Lee et al., 2016). 고등 어는 2~3월경 제주도에서 동해와 서해로 북상했다가 9월 부터 이듬해 1월까지 남하하는 어종으로, 산란기는 5~6월 이다(NFRDI, 2013). 우리나라에서 고등어는 대형선망, 유 자망, 정치망, 소형선망 등에서 어획되며, 그 중 대형 선망 어업에서 주로 어획되고 있다(Jo et al., 2001). 하지만, 최 근 대형선망에서 어획되는 고등어의 어획량은 2015년에 132만톤에서 2019년에 102만톤으로 점점 감소하는 추세 를 보이고 있다(Statistics Korea, “Fisheries production research” 2019, http://kosis.kr). 또한, 고등어는 우리나라 총허용어획량(Total allowable catch, TAC) 어종 중 하나 이며(Oh et al., 2016), 고등어를 지속적으로 이용하기 위 해서는 적절한 자원관리와 현존량 평가가 필요하다.

우리나라에서 수산자원을 평가하는 방법 중 음향조사 방법은 짧은 시간 동안 넓은 해역의 전 수층을 조사할 수 있어 현존량 평가에 많이 이용되고 있다(Park et al., 2017). 음향조사 방법을 이용하여 현존량을 평가할 때, 조사해역에서 대상 생물의 체적후방산란강도(Volume backscattering strength, Sv)는 취득할 수 있지만, 대상 생물의 음향산란강도(Target strength, TS)는 현장에서 취득할 수 없기 때문에 정확한 음향산란강도를 측정하 는 것이 중요하다(MacLennan and Simmonds, 1992; Hazen and Horne, 2003; Kang et al., 2009; Lee, 2012; Hwang et al., 2015; Yoon et al., 2017).

음향산란강도를 측정하는 방법은 실험적인 방법과 이 론적인 방법이 있으며, 실험적인 방법에는 ex-situ 방법과 자연적인 방법인 in-situ 방법이 있다. Ex-situ 방법에는 현수법과 케이지법이 있으며, 현수법은 대상 생물을 죽이 거나 마취하여 인위적으로 다양하게 유영자세각을 변경 하여 측정하는 방법이고, 케이지법은 케이지 안에 대상 생물을 넣어 자유롭게 유영하는 것을 계측하는 방법이다. In-situ 방법은 다양한 음향센서를 이용하여 현장에서 대 상 생물의 다양한 생태 정보를 이용하여 측정한다. 하지 만, 이러한 실험적인 방법은 많은 시간이 소요된다. 그에 비해 이론적인 방법은 음향산란이론모델을 이용하여 빠 른 시간에 대상 어종의 TS를 추정할 수 있다. 하지만, 음향산란이론모델을 이용하여 대상 생물의 음향 산란 강 도를 추정하기 위해서는 대상 생물의 체형, 부레의 크기, 주파수, 유영자세각 등의 매개변수 값이 필요하다(Mukai and Iida, 1996; Sawada et al., 2002; Hwang et al., 2012). 또한, 고등어의 현존량을 파악하기 위해 주로 사용되는 38 kHz와 120 kHz에 대한 TS 연구들이 부족한 실정이다.

따라서, 본 연구에서는 음향산란이론모델을 이용하여 국내에서 상업 어종인 고등어의 주파수별(38, 70, 120, 200 kHz) 유영자세각 및 체장에 따른 TS 변동 특성에 대하여 분석하였다.

재료 및 방법

고등어의 체형 묘사

음향산란이론모델을 사용하여 고등어의 TS값을 계산 하기 위해서는 고등어의 체형과 부레가 필요하다. 음향 산란이론모델에 사용된 고등어는 자연 상태와 유사하게 유지되도록 드라이아이스와 알코올을 이용하여 급속 냉 동을 시킨 후 고등어의 측면과 배면을 X-ray 촬영을 하 였다. 촬영된 X-ray 사진은 디지타이징 소프트웨어 (Getdata, Getdata Pty Ltd., Germany)를 이용하여 어류 의 측면과 배면에서 몸체와 부레를 0.2 mm 간격의 슬라 이드로 나누어 체형 좌표를 묘사하였다. KRM 모델에 사용된 20개체의 고등어의 체장 분포는 Table 1에 나타 냈다. 실험에 이용된 고등어의 체장 분포는 16.8∼28.0 cm (avg: 24.4 cm), 가랑이 체장 분포는 15.4∼26.2 cm (avg: 22.8 cm)이었다. 부레의 기울기는 7~12° (mean: 10.7°)이었다.

음향산란이론 모델

고등어의 TS를 계산하기 위하여 Kirchhoff-ray mode (KRM) 모델(Clay and Horne, 1994)을 이용하였다. KRM 모델은 어류의 부레와 체형을 실린더 혹은 원뿔 모양으로 근사하고, 이들의 음향산란성분의 합을 구하여 어류 전체의 음향산란값을 추정한다. 먼저, 부레에 의한 음향산란특성을 파악하기 위한 후방산란성분 L_blad는

\begin{matrix} L_{b l a d} \approx - i \frac{R_{b c} (1 - R_{w b}^{2})}{2 \sqrt{π}} \sum_{j = 0}^{N_{s} - 1} A_{s b} \\ \times {[(k_{b} a (j) + 1) sin θ]}^{1 / 2} \times exp [- i (2 k_{b} υ_{j} + ψ_{s b})] Δ u (j) \end{matrix}

(1)

으로 구할 수 있고, 체형에 의한 후방산란성분 L_body는

\begin{matrix} L_{b o d y} \approx - i \frac{R_{w b}}{2 \sqrt{π}} \sum_{j = 0}^{N_{b} - 1} {[k a (j)]}^{1 / 2} Δ u (j) \\ \times [exp (- i 2 k υ_{u j} - (1 - R_{w b}^{2}) \times exp {- i 2 k υ_{u j} + i 2 k_{b} (υ_{u j} - υ_{L j}) + i ψ_{b}}] \end{matrix}

(2)

으로 구할 수 있다. 여기서, N_s는 부레의 실린더 수, N_b는 어체의 실린더 수, i는 복소수의 허수, k와 k_b는 각각 해수와 체형에 대한 파수(λ/2π)이다.

전체 어류에 대하여 계산된 부레와 체형의 후방산란 성분을 합하여 아래 식 (3)과 같이 대상 어류의 후방산란 성분(L_fish)를 나타낼 수 있다.

L_{f i s h} = L_{b l a d} + L_{b o d y}

(3)

따라서, 어류의 TS는 다음 식 (4)로 구할 수 있다.

T S = 20 log | L_{f i s h} |

(4)

A_sb는 ka에 대한 진폭으로 식 (5), ψ_sb는 ka에 대한 위상 조정으로 식 (6), ψ_b는 위상 계수로 식 (7)로 표현할 수 있다.

A_{s b} \approx \frac{k a_{j}}{k a_{j} + 0.083}

(5)

ψ_{s b} \approx \frac{k a_{j}}{40 + k a_{j}} - 1.05

(6)

ψ_{b} \approx \frac{π k_{b} z_{u}}{2 [k_{b} z_{u} + 0.4]}

(7)

또한, R_wb는 어류의 체형과 해수 사이의 경계면에 대한 반사계수로서, 식 (8)로 표현된다.

R_{w b} = \frac{ρ_{b} c_{b} - ρ_{w} c_{w}}{ρ_{b} c_{b} + ρ_{w} c_{w}}

(8)

여기서, ρ_b는 어체의 밀도, c_b는 어체의 음속, ρ_w는 해수 의 밀도, c_w는 해수의 음속이다. R_bc는 어류의 체형과 부레 사이의 경계면에 대한 반사계수이다(식 9).

R_{b c} = \frac{g h - 1}{g h + 1}

(9)

밀도비 (g)와 음속비 (h)는 각각 식 (10), 식 (11)로 나타낼 수 있다.

g = \frac{ρ_{c}}{ρ_{b}}

(10)

h = \frac{c_{c}}{c_{b}}

(11)

여기서, ρ_c는 부레의 밀도, c_c는 부레의 밀도이다.

TS는 최대값과 평균값을 추정하였으며, 평균값은 다 음 식 (12)와 (13)에 나타낸 바와 같이 일반적인 어류의 평균 자세각과 표준편차를 각각 – 5°, 15°로 가정하여 확 률밀도함수(Probability density function, PDF)로 구하 고, 1°마다 계산된 각 자세각의 TS는 산란단면적으로 바꾸어 자세각 – 5±15°의 확률밀도함수와 각각을 곱한 후 그 합으로 평균 TS를 계산하였다.

σ_{b s} = \int_{- π / 2}^{π / 2} σ (θ) f (θ) d θ

(12)

T S_{a υ g} = 10 {log}_{10} σ_{a υ g}

(13)

여기서, σ(θ)는 각 유영 자세각별 θ에서 후방산란단면 적, f(θ)는 각 유영자세각별의 출현빈도를 말한다. 또 한, 고등어 크기에 따른 TS 관계식은 다음 식 (14)와 식 (15)로 표현할 수 있다. 식 (15)는 음향산란강도가 체장의 2승에 비례한다고 가정한 식을 나타낸다.

T S = a l o g_{10} L + b

(14)

T S = 20 {log}_{10} L + T S_{c m}

(15)

여기서, a는 기울기, b는 절편, L은 체장 (cm)을 말한다.

KRM 모델로 TS를 계산하기 위해서는 대상 어류에 대한 몸체의 음속, 밀도, 부레의 음속, 밀도 및 해수의 음속, 밀도의 파라미터가 필요하다. 본 연구에서는 Clay and Horne (1994)의 연구 결과를 인용하여 몸체의 음속 은 1,570 m/s, 밀도는 1,07 kg/m3, 부레의 음속은 345 m/s, 밀도는 1.24 kg/m3, 해수의 음속은 1,49 m/s, 밀도는 1,03 kg/m3을 음향산란이론모델에 적용하였다(Table 2).

결과 및 고찰

유영자세각에 따른 고등어의 TS

고등어의 자세각[ – 60∼+60°] 변화에 따른 자세각과 음향산란강도의 관계는 고등어 20개체 대상으로 분석하 였으며, 이때의 평균 체장(FL)은 26.2 cm이었다. 여기 서, 고등어의 자세각은 수평일 때 0°이고, 머리 아래 방 향일 때 마이너스 ( – )이며, 머리가 윗 방향일 때 플러스 (+)를 나타낸다. 유영 자세각에 따른 TS는 38 kHz에서 – 72.9 dB ~ – 33.0 dB, 70 kHz에서 – 86.3 ~ – 32.1 dB, 120 kHz에서 – 84.9 ~ – 30.7 dB, 200 kHz에서 – 87.5 ~ – 28.9 dB의 범위로 나타났고, 주파수가 높을수록 큰 차 이를 나타내 었다. 고등어의 유영자세각이 – 11°일 때, – 33.0 dB로 가장 높은 TS값이 나타났다(Fig. 2).

고등어 체장에 따른 고등어의 TS

고등어 20개체의 체장에 따른 최대 TS와 평균 TS을 Table 3과 같이 나타내었다. 음향산란 이론 모델을 이용 하여 산정한 고등어 체형과 최대 TS의 관계식은 38 kHz 에서 TS=14.30logFL – 54.16 (R² =0.13), 70 kHz에서 TS=9.26logFL – 46.18 (R² =0.07), 120 kHz에서 TS=8.50logFL – 44.03 (R² =0.05), 200 kHz에서 TS=9.10logFL – 43.89 (R² =0.05)으로 나타났으며, 평균 TS 의 관계식은 38 kHz에서 TS=11.41logFL – 54.37 (R² =0.14), 70 kHz에서 TS=7.21logFL – 49.16 (R² =0.05), 120 kHz에 서 TS=5.55logFL – 7.34 (R² =0.03), 200 kHz에서 TS=6.35logFL – 48.85 (R² =0.04)으로 나타났다(Fig. 3). 각 주파수별 TS를 체장의 제곱에 비례하여 계산한 기준화 최대 TS_cm가 38 kHz에서 – 61.87 dB (R² =0.11), 70 kHz 에서 – 60.73 dB (R² =0.01), 120 kHz에서 – 61.87 dB (R² =0.11), 200 kHz에서 – 58.64 dB (R² =0.02)로 나타났 다. 평균 TS_cm의 경우 38 kHz에서 – 66.02 dB (R² =0.05), 70 kHz에서 – 66.50 dB (R² =0.15), 120 kHz에서 – 66.02 dB (R² =0.05), 200 kHz에서 – 67.35 dB (R² =0.16)로 나타 났다.

본 연구와 같이 태평양 고등어를 가지고 실험한 연 구에는 Lee (2005)의 연구가 있다. Lee (2005)는 주파 수 75 kHz를 이용하여 고등어 35 개체(평균체장: 24.4 cm)의 TS를 측정한 결과 사이즈와 TS와의 관계식은 TS=20logL-69.9로 나타났다. 또한, 본 연구와 비슷한 어종인 대서양 고등어를 가지고 실험한 연구들은 Korneliussen and ona (2002), Scoulding et al. (2017), Palermino et al. (2021)의 연구가 있다. Scoulding et al. (2017)의 연구에서는 주파수 18 kHz, 38 kHz, 120 kHz, 200 kHz을 사용하여 체장 33 cm 고등어의 평균 TS를 측정하였으며, 결과는 18 kHz에서 – 83.30 dB, 38 kHz에서 – 90.12 dB, 120 kHz에서 – 86.17 dB, 200 kHz에서 – 84.19 dB로 나타내었다. Korneliussen and ona (2002)의 연구에서는 대서양 고등어를 가지고 주 파수별(38, 70, 120, 200 kHz)의 TS 실험을 진행하였으 며, 실험 결과는 저주파수보다 고주파수(200 kHz)에서 평균 TS 값이 높게 나타났다. Palermino et al. (2021)의 연구에서는 주파수별 평균 TS 값이 38 kHz에서 – 71.6 ~ – 71.8 dB, 120 kHz에서 – 74.7 ~ – 74.9 dB, 200 kHz에 서 – 74.5 ~ – 74.9 dB로 나타났다(Table 4). 선행연구와 본 연구의 TS 차이는 6.40~13.77 dB 차이를 나타냈다. 이러한 이유는 노르웨이 근처에서 서식하는 대서양 고 등어는 태평양 고등어와 달리 부레가 없기 때문에 상대 적으로 태평양 고등어에 비해 10~20 dB 정도 TS 값이 낮게 나타난다. 또한, 본 연구에서는 체장 20 cm 이상 의 고등어만을 가지고 실험을 하였기 때문에 체장 20 cm 미만의 고등어 TS 값은 알지 못한다. 따라서, 향후 체장 20 cm 미만의 고등어를 가지고 실험하여 정확한 체장별 고등어의 TS 값을 추정할 필요가 있는 것으로 판단된다.

결 론

본 연구에서는 KRM 모델을 이용하여 4개 주파수(38 kHz, 70 kHz, 120 kHz, 200 kHz)에 대한 고등어의 TS룰 계산하였다. 실험에 사용된 고등어의 체장은 16.8∼22.8 cm이었으며, 고등어 부레의 기울기 분포는 8∼14°이었 고 고등어의 자세각별 최대 TS는 – 11°에서 – 33.0 dB로 나타났다. 고등어의 평균 TS_cm는 38 kHz에서 – 54.37 dB, 70 kHz에서 – 49.16 dB, 120 kHz에서 – 47.34 dB, 200 kHz 에서 – 48.85 dB로 나타났다. 본 연구 결과는 우리나라 해역에서 서식하는 주요 부어류인 고등어의 현존량 평가 및 어종 식별의 기초 자료로 활용될 것으로 판단된다.

사 사

이 논문은 2021년 해양수산부 재원으로 해양수산과 학기술진흥원(AI 기반 스마트어업관리시스템 개발 사 업, No.20210499)의 지원을 받아 수행되었으며, 본 논문 을 사려 깊게 검토하여 주신 심사위원님들과 편집위원 님께 감사드립니다.

Figure

Fig. 1.An example of comparing the X-ray image and the reality of a chub mackerel and measuring the s ize and tilt angle o f the swimbladder.

Fig. 2.TS of chub mackerel for multi-frequency according to the swimming angle.

Fig. 3.TS of Chub mackerel according to the fork length; ( a) 3 8 k Hz, ( b) 7 0 k Hz, ( c) 1 20 kHz, ( d) 2 00 kHz.

Table

Table 1.The total length distribution of chub mackerel used in the KRM model

Table 2.Summary of parameters need to calculate TS using a KRM model

Table 3.TS of chub mackerel at frequency 38, 70, 120 and 200 kHz

Table 4.Summary of TS estimates by previous studies for chub mackerel

Reference

Clay CS and Home JK. 1994. Acoustic models of fish: The atlantic cod (Gadus morhua). J Acoust Soc Am 96, 166-1668.
Cha BY , Gong YG , Lee CH and Kim DH. 2004. Feeding ecology of pacific mackerel, Scomber japonicus, in Korean waters. J Kor Soc Fish Res 6, 14-22.
Hazen EL and Horne JK. 2003. A method for evaluating the effects of biological factors on fish target strength. ICES J Mar Sci 60, 555-562.
Hwang BK , Lee YW , Jo HS , Oh JK and Kang MH. 2015. Visual census and hydro-acoustic survey of demersal fish aggregations in Uiju small scale marine ranching area (MRA), Korea. J Kor Soc Fish Technol 51, 16-25.
Jo JH , Hong SG , Oh ST , Jung MS and Lee SM. 2001. Optimal expolitation of mackerel stocks in Korea: An application of bioeconomic model. Korea Maritime Institute. 1-118.
Kang DH , Cho SH , Lee CW , Myoung JG and Na JY. 2009. Ex situ target-strength measurements of Japanese anchovy (Engraulis japonicus) in the coastal Northwest Pacific. ICES J Mar Sci 66, 1219-1224.
Korneliussen RJ and Ona E. 2002. An operational system for processing and visualizing multi-frequency acoustic data. ICES J Mar Sci 59, 293-313.
Lee DJ. 2005. Fish length dependence of acoustic target strength for 12 dominant fish species caught in the Korean waters at 75 kHz. J Kor Soc Fish Tech 41, 296-305.
Lee DJ. 2012. Fish length dependence of target strength for black porgy and fat greenling at two frequencies of 70 and 120 kHz. J Kor Soc Fish Technol 48, 137-146.
Lee HB , Lee KH , Yoon EA , Hwang KS , Choi JH and Park TG. 2015. Target strength characteristics of sandfish (Arctoscopus japonicus) using ex situ experiment and acoustic model. J Kor Soc Fish Technol 51, 405-413.
Lee SJ , Kim JB and Han SH. 2016. Distribution of mackerel, Scomber japonicus eggs and larvae in Jeju island, Korea in spring. J Kor Soc Fish Technol 52, 121-129.
Nesse TL , Hobaek H and Korneliussen RJ. 2009. Measurement of acoustic-scattering spectra from the whole and parts of Atlantic mackerel. ICES J Mar Sci 66, 1169-1175.
NFRDI.2013. Ecology and fishing ground of fisheries resources in Korean water. NFRDI, Busan, 401.
MacLennan DN and Simmonds EJ. 1992. Fisheries acoustics. Chapman and Hall, London. 325.
Mukai T and Iida K. 1996. Depth dependence of target strength of live kokanee salmon in accordance with Boyle’s law. ICES J Mar Sci 53, 245-248.
Oh TY , Shim KB , Seo YI , Kwon DH , Kang SK and Lim CW. 2016. A study on resource utilization and management of chub mackerel, scomber japonicus consider to proximate composition. J Kor Soc Fish Technol 53, 130-140.
Palermino A , De felice A , Canduci G , Biagotti I , Constantini I , Malavolti S and Leonori I. 2021. First target strength measurement of Trachurus mediterraneus and Scomber colias in the Mediterranean Sea. Fisheries Research 240, 105973..
Park MH , Yoon EA , Hwang KS , Lee DG , Oh WS and Lee KH. 2017. Variation of target strength by swimming orientation and size for Pacific herring (Clupea pallasii) at the frequency of 70-kHz. J Korean Soc Fish Technol, 53, 396-403.
Scoulding B , Gastauer S , Maclennan DN , Fassler SM , Copland P and Fernandes PG. 2017. Effects of variable mean target strength on estimates of abundance: the case of Atlantic mackerel (Scomber scombrus). ICES J Mar Sci 74, 822-831.
Statistics Korea, Fisheries production research2019. new, http://kosis.kr/search/search.do.
Sawada K , Takao Y , Miyanohana Y and kinacigil HT. 2002. Introduction of the precise TS measurement for fisheries acoustics. Turk J Vet Anim Sci 26, 209-214.
Yoon EA , Kim KS , Lee IT , Jo HJ and Lee KH. 2017. Target strength estimation by tilt angle and size dependence of rockfish (Sebastes schlegeli) using ex-situ and acoustic scattering model. J Kor Soc Fish Technol 53, 152-159.