De acuerdo con los documentos (http://tomcat.apache.org/tomcat-7.0-doc/RUNNING.txt), debe establecer todas las variables env en $CATALINA_HOME/bin/setenv.sh
EDITAR:para completar, creo que vale la pena mencionar que, aunque esta es la forma recomendada, los documentos anteriores establecen que:
De forma predeterminada, el archivo de script setenv está ausente. Si el archivo de script está presente tanto en CATALINA_BASE como en CATALINA_HOME, se prefiere el de CATALINA_BASE.
En caso de que no esté, es posible que también desee buscar env vars en:
/etc/tomcat/tomcat[67].conf(suse) o/etc/default/tomcat[67].conf(por ejemplo, ubuntu) o/etc/sysconfig/tomcat[67].conf(rhel, fedora)