天文輻射的分布和變化不受大氣影響，主要決定於日地距離、太陽高度角和白晝長度。據理論計算，天文輻射的時空分布規律：
圖1 中國天文輻射總量空間分布
天文輻射（即到達大氣上界的太陽輻射）的強弱主要與太陽高度角的大小有關。太陽高度角大，到達上界的太陽輻射強度大;反之，則小。低緯地區太陽高度角大，隨之天文輻射日總量大，壹年之內太陽高度角的變化小，隨之日總量的年較差小；高緯地區，太陽高度角小，因而天文輻射日總量小，壹年之內的太陽高度角變化大，因而日總量的年較差大。天文輻射的這種隨緯度分布不均，由低緯向高緯的逐漸減少，是形成氣溫的緯度地帶性分布的基本原因。
天文輻射的時間變化是有規律的周期性變化，即有日變化和年變化。
天文輻射是地球大氣產生冷暖變化的根本原因，也是產生各種天氣現象的動因。 圖2 地球上全年各月不同緯度天文輻射總量分布
在夏半年，北半球天文輻射日總量在壹相當寬的緯度帶內變化很小，在極地達最大。這是由於夏半年可照時間隨緯度增加而增長，從而使太陽輻射日總量隨緯度增加而增大，補償了因太陽高度隨緯度增加而減少造成的天文輻射也隨之減小的現象。
冬半年，北半球可照時間隨緯度增大而縮短，因而冬半年天文輻射日總量隨緯度變化較大，南北梯度大。