Какой падеж на синем небе

В словосочетании "на синем небе" (тип связи - согласование) слова стоят в предложном падеже (падеж, род и число прилагательного всегда совпадают с падежом, родом и числом существительного); средний род, единственное число.

Примеры предложений:

На синем небе, которое я увидел, открыв глаза утром, не было ни одного облачка, в связи с чем я понял, что сегодня наверняка будет тепла погода.

Мой брат пытался рассмотреть что-то на синем небе, но яркое солнце, которое светило постоянно не давало ему этого сделать.