从规模分布、规模紧凑度、规模效率三个层面构建城市群规模结构合理性三维诊断模型,将中国19个城市群看作19个大型城镇密集区,探索中国19个大中小城市群规模结构的合理性及时空演变特征。研究发现:(1)中国19个城市群等级规模分布具有较为明显的分形特征,1995—2010年为中国城市群规模结构低合理发展阶段,2011—2015年为规模结构中等合理发展阶段;城市群城镇规模分布指数及规模效率指数相对较高,而规模紧凑度指数较低。(2)规模结构合理性较高的城市群,基本位于中国东部地区;规模结构中等合理城市群在中国东、中、西及东北地区均有分布;规模结构低合理城市群基本位于中国西部地区。(3)19个城市群中有14个属于规模集中型城市群,5个属于规模分散型城市群;特大城市群规模紧凑度高于中小城市群;东部城市群规模效率普遍高于中西部城市群。(4)城市群规模结构演变可划分为三种类型,包括规模结构趋优型、规模结构波动型、规模结构趋劣型;规模结构趋优型城市群一般为双中心或多中心结构,而规模结构波动型及规模结构趋劣型城市群一般为单中心结构。(5)城市群城镇规模结构合理性演变轨迹可归纳为由多个"S"形曲线构成的大"S"形演变曲线,具体可划分为不合理阶段、低合理阶段、中等合理阶段以及高合理4个阶段。(6)未来应在巩固国家级城市群地位的同时,加快提升区域中等城市群的发育水平,充分发挥城市群规划的引导和控制作用,推动城市群朝着双中心或多中心方向发展,构建大、中、小规模等级合理的紧凑型城市群结构体系。