Você precisa executar catalina.sh de um diretório em que ./envvars/tomcat.env exista como um caminho relativo. Acho que isso significaria que você precisa cd to $CATALINA_BASE/bin antes de executar catalina.sh no exemplo acima. Mas isso provavelmente não é o que você quer.
Como alternativa, edite o script setenv.sh para originar o arquivo tomcat.env por seu caminho completo:
#!/bin/sh
if [ -f "$CATALINA_BASE/bin/envvars/tomcat.env" ]; then
. "$CATALINA_BASE/bin/envvars/tomcat.env"
fi