[논문]해저설치형 음향도플러유향유속계를 이용한 음향산란층의 연직이동속도 측정

조현정; 이경훈

doi:10.3796/ksft.2010.46.4.449

해저설치형 음향도플러유향유속계를 이용한 음향산란층의 연직이동속도 측정
Measurement of vertical migration speed of Sound Scattering Layer using an bottom mooring type Acoustic Doppler Current Profiler 원문보기

한국어업기술학회지 = Journal of the Korean Society of Fisheries Technology, v.46 no.4, 2010년, pp.449 - 457

조현정 (강원도립대학 해양경찰학과) , 이경훈 (국립수산과학원 시스템공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This study shows that the vertical migration speed of sound scattering layers (SSLs), which is distributed in near Funka Bay, were measured by 3D velocity components acquired from a bottom moorng ADCP. While the bottom mooring type has a problem to measure the velocity vectors of sound scattering layer distributed near to surface, both the continuous vertical migration patterns and variability of backscatterers were routinely investigated as well. In addition, the velocity vectors were compared with the vertical migration velocity estimated from echograms of Mean Volume Backscattering Strength, and estimated to produce observational bias due to SSLs which is composed of backscatterers such as euphausiids, nekton, and fishes have swimming ability.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 해저설치형 ADCP에 의한 도플러편이의 연직속도 성분으로부터 음향산란층의 연직이동속도를 추정하였다. 해저설치형 ADCP는 표층에 있는 산란체의 정보를 파악하기 힘들다는 단점은 있으나, 일정정점에서의 음향산란층의 연직이동운동 패턴과 내유하는 어군의 유영특성을 수시로 관측할 수 있다는 장점을 가지고 있다.
본 연구에서는 음향산란층의 주 분포대상 산란체가 난바다곤쟁이, 요각류, 단각류, 화살벌레류 등이 주로 분포하고 있는 일본 홋카이도 분카만해역에서 해저설치형 ADCP를 이용하여 분카만 내부에 유입되어 분포하는 음향산란층의 일주이동속도의 측정값과 넓은 해역에 분포하는 음향산란층의 표본자료와 연직이동속도를 측정 하여 분포하고 있는 동물플랑크톤의 종 조성과의 상관관계, 즉, 구성생물에 의한 연직이동에 대해서 검토하였다. 그리고, ADCP로부터 수록된 평균체적후방산란강도 (Mean Volume Backscattering Strength, MVBS)를 이용한 연직속도 측정값과 비교하였다.

제안 방법

이와 같이, 음향산란층이 연직이동을 시작하는 시점은 일몰시간을 전후로 3시간동안 명확하게 나타나는데, 2003년 4월 20일 12:00부터 21일 12:00까지 10분 간격으로 평균화하여 메모리에 저장한 데이터를 나타내었다. 각 4빔에 대한 에코강도를 MVBS 계산값에 의해 대수값으로 나타내었고, 측정해역에 있어서의 수평유향, 유속 측정치를 에코그램으로 나타내었다.
본 연구에서는 음향산란층의 주 분포대상 산란체가 난바다곤쟁이, 요각류, 단각류, 화살벌레류 등이 주로 분포하고 있는 일본 홋카이도 분카만해역에서 해저설치형 ADCP를 이용하여 분카만 내부에 유입되어 분포하는 음향산란층의 일주이동속도의 측정값과 넓은 해역에 분포하는 음향산란층의 표본자료와 연직이동속도를 측정 하여 분포하고 있는 동물플랑크톤의 종 조성과의 상관관계, 즉, 구성생물에 의한 연직이동에 대해서 검토하였다. 그리고, ADCP로부터 수록된 평균체적후방산란강도 (Mean Volume Backscattering Strength, MVBS)를 이용한 연직속도 측정값과 비교하였다.
한편, 음향산란층의 연직이동속도는 음향산란층의 후방산란강도에 의해 표시되는 에코그램을 이용하여 추정할 수 있다. 따라서, ADCP에서 수록된 에코강도로부터 MVBS를 계산한 에코그램을 이용하여, ADCP의 연직속도성분과의 관계를 비교하였다.
따라서, 2003년 4월 19일 12:00로부터 5월 5일 12:00까지 측정된 MVBS에코그램 (>－80dB)을 기준으로 하여, 해저설치형 ADCP를 이용한 음향산란층의 연직이동속도의 추정 결과를 Table 2에 나타내었다. 여기서, 연직속도성분의 평균치에 있어서, 음향산란층의 연직이동시 측정값은 상하이동성분이 동시에 존재할 수 있으므로, 음향산란층의 일주기 연직이동시 평균 이동속도는 상향이동시에는 상향이동성분, 하향이동시에는 하향이동성분의 측정값을 평균하였다.
2kHz, to 70m depth), E는 각 적분층에 대한 에코강도 (counts), Er은 에코 강도의 기준레벨 (counts)로서, 일반적으로 고주파 해저설치형 (600, 1200kHz)의 경우에는 40(counts)의 값이 사용되어진다 (Deines, 1999). 이동식 ADCP는 조사기간동안 측정한 에코강도의 값에서 가장 낮은 측정값 (51, 50, 52, 59 counts)을 설정하여 MVBS값을 계산하였다.
트랜스듀서가 안정되어 있는 상태임에도 불구하고, 후방산란강도가 뚜렷하게 존재 하는 적분층과 연직속도성분의 측정값과 일치된 패턴은 나타나지 않았다. 이러한 원인은 음향산란층의 중심부를 기준으로 한 연직속도 성분값에 의해 발생될 수 있는 오차라고 가정하여, 에코 그램상의 역치레벨 (－80dB)내에 존재하는 음향 산란층에 대한 상, 하향이동을 하는 주 시간대인 4시간 간격의 데이터로 부터 수록된 연직속도 성분을 평균하였고, 최대연직속도성분을 추출하였다. 따라서, 2003년 4월 19일 12:00로부터 5월 5일 12:00까지 측정된 MVBS에코그램 (>－80dB)을 기준으로 하여, 해저설치형 ADCP를 이용한 음향산란층의 연직이동속도의 추정 결과를 Table 2에 나타내었다.
한편, 해저설치형 ADCP를 이용하여 음향산란층의 연직이동속도를 측정하고, 4월과 5월에 조사해역에 분포하는 음향산란층의 구성생물체를 확인하기 위해, 중층프레임트롤 (2m×2m, mesh size 3mm)을 이용하여 일몰후 표층 부근까지 상승한 음향산란층에 대하여 채집하였다. 채집방법은 수심 10m부근을 네트가 안정된 후, 5분간 약 3노트로 총 10회 (4월 6회, 5월 4회)에 걸쳐 예망하였다. 채집된 샘플은 10% 중성 포르말린에 의해 고정시킨 후, sorting을 행한 후, 채집 샘플에 대한 밀도분포 및 종 조성 비율을 Table 3에 나타내었다.
한편, 해저설치형 ADCP를 이용하여 음향산란층의 연직이동속도를 측정하고, 4월과 5월에 조사해역에 분포하는 음향산란층의 구성생물체를 확인하기 위해, 중층프레임트롤 (2m×2m, mesh size 3mm)을 이용하여 일몰후 표층 부근까지 상승한 음향산란층에 대하여 채집하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 Fig 1과 같이 일본 홋카이도 분카만내부 수심 84m에 설치하였으며, 2003년 4월 19일부터 5월 5일까지의 음향 데이터의 적분층과 평균시간은 각각 2m, 10분 간격으로 내장 메모리에 저장하였다. 실험에 사용한 ADCP의 특징을 Table 1과 같이 나타내었다.
실험에 사용한 ADCP의 특징을 Table 1과 같이 나타내었다. 주파수는 307.2kHz (Workhorse Sentinel, RD－Instruments)로서, 내장형 배터리에 의해 구동되는 이동식 타입 (self-contained type)이다. 또한, 4개의 트랜스듀서의 convex형으로 구성되어 있으며, 수직선 상을 기준으로 빔 각도는 20도이다.

데이터처리

실험 종료 후, RDI사로부터 제공되는 후처리 소프트웨어 (WinSC data acquisition program)에 의해, 데이터 파일로 변환시키고, 4빔에 대하여 10분 간격으로 평균하여 저장된 에코강도의 값(count)은 Deines (1999)가 제시한 광대역 ADCP의 후방산란강도 계산에서 검토한 식 (1)을 적용 하여 각 빔에 대한 평균체적후방산란강도 (dB re 1m－1)를 계산하였다.

성능/효과

그 결과, Table 2에서 나타난 바와 같이, 일몰 시 음향산란층이 상향 이동하는 에코그램과 연 직속도성분에 의한 평균속도의 평균값은 각각 0.55cm/s, 0.59cm/s로 유사하였으나, 최대속도의 평균값은 각각 1.43cm/s, 2.61cm/s로 나타나 연직속도성분에 의한 평균값이 약 2배정도 빠르다는 것을 알 수 있다. 한편, 일출시 음향산란층이 하향 이동하는 에코그램과 연직속도성분에 의한 평균속도의 평균값은 각각 0.
여기서, 그림 4의 (A)와 (B)는 해저설치형 ADCP를 이용하여 음향산란층의 평균체적후방 산란강도에 의한 일출, 일몰시의 이동속도와 도플러편이에 의해 측정된 연직속도 성분을 경과 시간에 따라서 나타내었다. 그 결과, 일몰시 연 직속도 성분의 최대 측정치 (＋1.5cm/s)는 MVBS에 의해 추정된 상승이동속도 (＋2.2cm/s)에 비해, 0.7cm/s 느린 것을 알 수 있으며, 일출시 연직속도 성분의 측정값 (－2.3cm/s)는 MVBS에 의해 추정된 하향이동 속도값 (－1.7cm/s)보다 0.6cm/s 빠른 것을 알 수 있었다.
해저설치형 ADCP는 표층에 있는 산란체의 정보를 파악하기 힘들다는 단점은 있으나, 일정정점에서의 음향산란층의 연직이동운동 패턴과 내유하는 어군의 유영특성을 수시로 관측할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 따라서, 음향산란층의 일주기 연직이동속도를 파악할 수 있으며, 3차원 속도 벡터성분과 체적후방산란강도에 의해 나타낸 에코그램을 이용하여 음향산란층내에 존재하는 어군의 연직이동속도 및 유영행동 특성을 추정할 수 있는 가능성을 제시하였다.
그리고, 해파리류나 화살벌레 류는 일주연직이동을 일으킬 만큼의 상하이동유영능력이 적다. 따라서, 해저설치형 ADCP를 이용하여 샘플링한 음향 데이터로부터 추정된 음향산란층의 이동속도는 넥톤 및 난바다곤쟁이류, 요각류에 의한 것으로 생각할 수 있으며, Table 3의 최대 연직속도 측정값으로부터 후방체적산란강도와의 비교를 통해 평균치에 비해 편차가 큰 것은 음향산란층에 존재하는 넥톤이나 어군에 의해 발생한 것으로 판단된다.
46cm/s로 연직속도성분에 의한 평균 값이 약 4배정도 빠른 것으로 나타났다. 또한, 음향산란층의 평균 연직이동속도는 일출시와 일몰시를 비교할 때, 일출시 상향 이동속도가 일몰시 하향 이동속도에 비해 약 1.4배정도 빠른 것을알수 있었다.
3과 같다. 일몰시의 상향이동은 MVBS 에코그램의 특성과 연직속도측정치와 유사한 패턴으로 나타나고 있으며, 하향 이동의 경우에서도 일출시간을 기준으로 약 30분정도 빠른 상향이동 연직속도성분이 측정되었으나, 일몰시에 강한 하향이동의 연직속도 성분이 측정되었다. 각 에코그램에 나타난 점선은 MVBS 에코그램의 음향산란층의 중심부를 10분 간격으로 나타낸 것으로서, 측정된 연직속도성분과의 비교한 결과는 Fig.
61cm/s로 나타나 연직속도성분에 의한 평균값이 약 2배정도 빠르다는 것을 알 수 있다. 한편, 일출시 음향산란층이 하향 이동하는 에코그램과 연직속도성분에 의한 평균속도의 평균값은 각각 0.40cm/s, 0.43cm/s로 유사하였으나, 최대속도의 평균값은 각각 0.86cm/s, 2.46cm/s로 연직속도성분에 의한 평균 값이 약 4배정도 빠른 것으로 나타났다. 또한, 음향산란층의 평균 연직이동속도는 일출시와 일몰시를 비교할 때, 일출시 상향 이동속도가 일몰시 하향 이동속도에 비해 약 1.

후속연구

따라서, 일반적인 에코그램에 의한 음향산란 층의 이동속도는 평균값에 의해 연직이동특성을 쉽게 파악할 수 있으며, 도플러편이에 의한 연직속도 성분도 유사하다는 것을 알 수 있다. 그러나 연직속도 성분에 의한 이동속도의 평균값과 최고값의 편차가 크게 나타나는 현상은 음향산란층에 존재하는 동물플랑크톤에 의한 측정값이 아닌 주변에 분포하고 있는 어군에 의한 연직속도성분 측정값의 편차로 판단될 수 있으며, 유영성이 강한 해양생물을 대상으로 이동특성을 파악하기 위한 방법으로도 유용하게 적용될 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	동물플랑크톤으로 구성되어 있는 음향산란층의 일주기 연직 이동에 영향을 주는 요인은?	동물플랑크톤으로 구성되어 있는 음향산란층의 일주기 연직 이동에 영향을 주는 주요 요인으로는 조도 변화 (Haney, 1988), 음향산란층의 구성생물 (Ashjian et al., 1998), 조사해역의 환경조건 (Holzman et al., 2003), 계절의 변화 (Pinot et al., 2001) 등을 생각할 수 있는데, 일주기 연직 이동은 일반적으로 먹이섭이와 포식자로부터의 도피에 의한 결과로 많이 알려져 있으며 (Gliwicz, 1986; De Robertis et al., 2000), UV 빛으로부터의 도피에 의한 행동 (Haney, 1988)에서는 빛이 해양생물의 상승 혹은 하강의 시작과 이동속도 및 허용 최대수심에 영향을 주므로 연직 이동에 영향을 주는 가장 중요한 요소로 알려져 왔다.
	Plueddemann and Pinkel가 도플러소나를 이용하여 음향산란층의 주요 산란체에 대한 산란강도와 일주기 연직속도에 대한 변동을 분석한 결과는?	Plueddemann and Pinkel (1989)은 도플러소나 (67kHz)를 이용하여 음향산란층의 주요 산란체에 대한 산란강도와 일주기 연직속 도에 대한 변동을 분석하였다. 여기서, 대상 산란체는 일정 수심에서 유지하였으며, 일몰 전에 빠른 상승을 시작하였다. 또한, 이러한 산란체의 연직 이동이 ADCP에 의해 측정된 유속장의 수평속도에 대한 편차를 발생시킨다 (Wilson et al., 1992).
	주간과 야간에 따라 음향산란층에 존재하는 산란체의 연직 분포가 달라지는 원인은?	해양생태계를 구성하고 있는 음향산란층(Sound Scattering Layer, SSL)는 일반적으로 주간과 야간에 따라 분포 수심이 변화하여 음향산란층에 존재하는 산란체의 연직 분포가 다르다. 이러한 원인으로는 음향산란층에 존재하는 다양한 동물플랑크톤과 넥톤에 의해 일주기 연직 이동을 하게 된다.

참고문헌 (14)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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